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Sandbox Physics

仿星器的线圈与场线

三维线圈怎样让场线扭转,同一截面的交点能告诉我们什么? 三维线圈同时给磁场环向和极向分量,让场线绕大环前进时也绕管截面扭转。反复记录场线穿过同一平面的位置,可以检查它在有限计算中怎样分布;旋转变换还需围绕移动磁轴连续计角,并检验步长与积分长度的收敛。

比较 Wendelstein 7-X 的两组参考电流,跟随实际计算的场线,记录固定截面的穿越位置和围绕移动磁轴的有限绕行。

交互模型仿星器的线圈与场线

读三维线圈怎样形成扭转磁场

从三维线圈跟随一条磁力线

背景带电粒子沿磁场运动时也会绕场回旋。仿星器用外部三维线圈形成沿大环又绕管截面扭转的磁场。先研究场线的几何结构,可以为理解约束提供起点。

为什么值得理解一条三维轨迹绕很多圈后容易遮住自己。反复记录它穿过同一平面的位置,能把这条长路径变成清楚的二维点列。

核心问题
线圈电流、起点与绕行长度怎样改变实际计算出的截面记录?
一句话直觉
场线和截面点来自同一个线圈磁场;围绕随位置移动的磁轴连续计角,才能保留有符号的绕行方向。

核心数学模型

把全部源线圈的磁场相加

B(x)=μ04π∑jIj∮dℓj×(x−rj)∣x−rj∣3\mathbf B(\mathbf x)=\frac{\mu_0}{4\pi}\sum_j I_j\oint\frac{d\boldsymbol\ell_j\times(\mathbf x-\mathbf r_j)}{|\mathbf x-\mathbf r_j|^3}

源数据给出每条单丝线圈的形状与有效电流;有效电流已经计入绕组匝数。显示用的线宽不进入这个磁场计算。

在同一磁场里积分场线

dRdϕ=RBRBϕ,dZdϕ=RBZBϕ\frac{dR}{d\phi}=R\frac{B_R}{B_\phi},\qquad\frac{dZ}{d\phi}=R\frac{B_Z}{B_\phi}

R 为离装置竖直轴的距离,Z 为高度,φ 为绕大环的角度。程序在实际全局半平面上定位穿越事件;环向分量太小或超出数值范围时保留已完成的记录并停止。

保留连续、有符号的绕行角

ιN=ΔθunwrappedΔϕ,N=Δϕ2π\iota_N=\frac{\Delta\theta_{\mathrm{unwrapped}}}{\Delta\phi},\qquad N=\frac{\Delta\phi}{2\pi}

θ 围绕该处实际计算的磁轴计量,从外侧水平向上为正;φ 从装置上方看逆时针为正。N 是有符号整环圈数。有限绕行估计本身不证明存在唯一、长期不变的磁面。

常见难点

场线上的标记是粒子吗?

容易误解移动点表示电子按这条轨道飞行,因此可以数出粒子损失。

正确理解标记只按顺序回放数值绘图点。带电粒子还有回旋、漂移和碰撞,场线计算不提供粒子损失率。

闭曲线要求场线自己闭合吗?

容易误解截面上出现闭曲线,场线必须在几圈后回到原点。

正确理解闭曲线可以是一个磁面的切口。单条场线可能在这个面上绕行很久,也不精确回到原点。

动手实验

  1. 01

    比较两组真实参考电流

    依次选择“标准参考”和“作者代码参考”,查看非平面与平面线圈的有效电流。

    你会看到: 两组电流作用于同一套 70 个源线圈。默认加载的是有数值检查记录的参考计算,另行计算会产生新的单次记录。
  2. 02

    让新电流实际产生新轨迹

    拖动线圈上的金色电流手柄,再计算场线。

    你会看到: 快速箭头来自新电流下的三个实际磁场探针;新的磁轴与截面交点需要重新积分,旧轨迹不会随滑块变形。
  3. 03

    比较两组参考的外侧起点

    比较“外侧起点”和“作者参考的外侧起点”,选择截面视角。

    你会看到: 每个点都是保存的穿越事件。环向磁场分量过小时,按环向角积分的方法会停止,并保留此前的交点;这不是粒子损失。
  4. 04

    区分一整环与一个重复段

    切换同一全局平面和五个重复段的显示,观察点数与角度标记。

    你会看到: 默认参考绕整环 64 圈,五个相隔五分之一圈的实际半平面共记录 320 个交点,按旋转对称性叠放;同一基准半平面有 64 次返回。若起点不在所选平面,首次交点只是进入平面;绕行比仍取实际有符号环向角,无需再乘或除以 5。
  5. 05

    保留短记录与停止原因

    选择“只走一整圈”和“缩小数值窗口”。

    你会看到: 短记录和停止前的交点仍可检查;数值窗口是积分限制,不是器壁,退出窗口不表示粒子撞壁。

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文章

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物理仪器怎样测量

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  1. 文章仿星器的线圈为什么扭成三维形状
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