【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）中國(guó)聯(lián)合球形托卡馬克磁漲落測(cè)量與分析-核科學(xué)與技術(shù)

中國(guó)聯(lián)合球形托卡馬克 磁 漲落 測(cè)量 與 分析 申請(qǐng)清華大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 ) 培 養(yǎng) 單 位 : 工程物理系 學(xué) 科 : 核科學(xué)與 工程 研 究 生 : 指 導(dǎo) 教 師 : 高工 二 八 年五 月 中國(guó)聯(lián)合球形托卡馬克磁漲落測(cè)量與分析 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解清華大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即： 清華大學(xué)擁有在著作權(quán)法規(guī)定范圍內(nèi)學(xué)位論文的使用權(quán)，其中包括： （ 1） 已獲學(xué)位的研究生必須按學(xué)校規(guī)定提交學(xué)位論文，學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印或其他復(fù)制手段保存研究生上交的學(xué)位論文； （ 2）為教學(xué)和科研目的，學(xué)?？梢詫⒐_(kāi)的學(xué)位論文作為資料在圖書(shū)館、資料室等場(chǎng)所供校內(nèi)師生閱讀 ,或在校園網(wǎng)上供校內(nèi)師生瀏覽部分內(nèi)容 。 本人保證遵守上述規(guī)定。 （保密的論文在解密后遵守此規(guī)定） 作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 日 期： 日 期： 摘 要 I 摘 要 中國(guó)第一臺(tái)球形托卡馬克裝置，其建造目的 主要 在于 拓展我們 對(duì)低環(huán)徑比的 磁約束裝置等離子體物理 的理解， 以及論證采用 非感應(yīng)方式 啟動(dòng) 并建立穩(wěn)定的 等離子體 的可能性。本文的主要工作著眼于利用的磁測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行磁漲落的測(cè)量，并 據(jù)此 分析磁漲落與反常輸運(yùn)的關(guān)系。眾所周知， 在磁約束等離子體中， 磁場(chǎng)的漲落 是能量反常輸運(yùn)的一個(gè)有效機(jī)制。在反場(chǎng)箍縮裝置和傳統(tǒng)托卡馬克中已經(jīng)進(jìn)行了很多的相關(guān)研究，這些研究指出磁漲落和邊界輸運(yùn)存在密切的聯(lián)系。但是，由于受到磁測(cè)量 線圈位置的限制，所有先前的研究都集中在邊界等離子體中，這顯然不能直觀地反映湍流自芯部向 刮離層 發(fā)展的情況。我們的工作 主要是來(lái)探究球形托卡馬克中從芯部到限制器之間的磁漲落與反常輸運(yùn)的相互關(guān)系。 具體來(lái)說(shuō)，我們利用磁測(cè)量系統(tǒng) 直接測(cè)得磁線圈上的感應(yīng)電壓，然后利用公式求得了磁場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而通過(guò)數(shù)據(jù)處理獲得了 磁漲落量的徑向分布情況， 最后 利用 湍流譜分析技術(shù) 兩點(diǎn)測(cè)量估計(jì)湍流的譜功率密度分布建立了波數(shù)譜。我們從波數(shù)譜看到，湍流沿徑向分別向內(nèi)和向外沿兩個(gè)方向傳播，但是疊加效果是使得湍流 從芯部向限制器方向傳播。此外，條件功率譜指 出湍流的能量幾乎與漲落頻率無(wú)關(guān)。最后，我們發(fā)現(xiàn)磁湍流以恒定的相速度（大約 2 km/s）從芯部向邊界傳播，并且維持一個(gè)恒定的波數(shù)（大約 0.5 關(guān)鍵詞： 球形托卡馬克 磁漲落 反常 輸運(yùn) 湍流I as on of at a R/a of by of is on of of It is in a of in A of in is a by of on is to of to is to to we of we to in to of is of of we to at a km/s) a .5 錄 錄 第章 引言 . 1 聚變研究概述 . 1 從托卡馬克到球形托卡馬克 . 1 托卡馬克診斷技術(shù)概況 . 4 研究現(xiàn)狀 . 4 課題工作 . 6 第 2 章 統(tǒng) . 7 置簡(jiǎn)介 . 7 置上已有的診斷設(shè)備 . 9 第 3 章 磁測(cè)量系統(tǒng)的建立 . 13 磁測(cè)量概述 . 11 磁測(cè)量原理 . 12 磁探針的設(shè)計(jì)和制作 . 13 外部裝置 . 14 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) . 15 磁探針的真空預(yù)處理 . 19 件 . 19 烘烤電路 . 22 第 4 章 磁漲落分析手段 . 24 時(shí)頻分析 . 24 一致性分析 .未定義書(shū)簽。 自相關(guān)時(shí)間 .未定義書(shū)簽。 雙譜分析 .未定義書(shū)簽。 第章 磁漲落分析結(jié)果 . 27 典型的等離子體電流 . 27 目 錄 探針對(duì)等離子體的影響 . 28 向磁場(chǎng)徑向分布以及漲落 . 29 功率譜分析 . 33 時(shí)頻特性分析 . 35 一致性分析 .未定義書(shū)簽。 自相關(guān)函數(shù)和自相關(guān)時(shí)間 .未定義書(shū)簽。 雙譜分析 .未定義書(shū)簽。 第 6 章 總結(jié)、結(jié)論以及將來(lái)的研究 . 45 總結(jié) . 45 探針對(duì)等離子體的影響 . 45 徑向磁漲落幅度很小 . 45 結(jié)論 . 45 將來(lái)的工作 . 46 參考文獻(xiàn) . 49 致謝與聲明 . 51 附錄 A 主要的分析程序和子函數(shù)說(shuō)明表 . 52 個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果 . 53 主要符號(hào)對(duì)照表 V 主要符號(hào)對(duì)照表 A 環(huán)徑比 ( 極向磁場(chǎng) 環(huán) 向磁場(chǎng) 徑向磁場(chǎng) 一致性 等離子體電流 平衡場(chǎng)電流 限制器 q 安全因子 r 等離子體小半徑 刮 離 層 ( 極向 環(huán)向 等離子體比壓 磁通量 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 第 1 章 引 言 1 第章 引言 聚變研究概述 隨著工業(yè)的發(fā)展， 石油、天然氣和煤等不可再生資源的枯竭，當(dāng)今世界面臨著一個(gè)相當(dāng)嚴(yán)峻的能源問(wèn)題。按照現(xiàn)在的能源消耗速度，世界上可開(kāi)采的非可再生能源：煤可用 219 年（中國(guó)不足 100 年）；石油、天然氣可用 44 年； 用幾百年。能源危機(jī)日漸逼近，開(kāi)發(fā)和利用更為廣泛、清潔和高效的新能源已經(jīng)迫在眉睫。 與化石能源以及目前核電站利用的核裂變發(fā)電相比，聚變能具有資源無(wú)窮盡性、環(huán)境可接受性、和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)性，是目前人類所能夠認(rèn)識(shí)到的可最終解決人類能源和環(huán)境問(wèn)題的最重要的途徑之一。 聚變反應(yīng)是將兩個(gè)較輕的 核結(jié)合而形成一個(gè)較重的核和一個(gè)很輕的核（或粒子）的過(guò)程。兩個(gè)較輕的核在融合的過(guò)程中產(chǎn)生質(zhì)量虧損而釋放出巨大的能量?；痉磻?yīng)方程式為： D+T=He+n 為了實(shí)現(xiàn)可控核聚變，自五十年代起，各國(guó)的科學(xué)家開(kāi)始不懈的努力。各種各樣的聚變實(shí)驗(yàn)裝置在世界范圍內(nèi)不斷建立起來(lái)。研究比較成功的核聚變實(shí)驗(yàn)裝置大致可以分為兩種一種是磁約束可控核聚變裝置（ 另外一種慣性約束可控核聚變 (磁約束可控核聚變的原理是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 強(qiáng)大的磁場(chǎng)位形來(lái)約束并加熱等離子體，使其碰撞實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)；而慣性約束聚變的原理是利用高功率激光轟擊靶丸來(lái)實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)。目前普遍認(rèn)為磁約束聚變的研究要領(lǐng)先于慣性約束巨變的研究。而在磁約束可控核聚變的研究領(lǐng)域當(dāng)中，托卡馬克裝置是研究的主流（另外還有磁鏡，仿星器，場(chǎng)反箍縮等研究裝置） 1 從托卡馬克到球形托卡馬克 托卡馬克裝置英文為 來(lái)自俄文：環(huán)形（ 真空室（ 磁（ 線圈（ 最初是由位于蘇聯(lián)莫斯科的庫(kù)爾恰托夫研究所的 阿齊莫維奇等人在 20 世紀(jì) 50 年代發(fā)明的。有的時(shí)候我們國(guó)家第 1 章 引 言 2 也把 置意譯為“環(huán)流器”。 1954 年，第一個(gè)“托卡馬克”裝置在前蘇聯(lián)庫(kù)爾恰托夫原子能研究所建成，并且實(shí)現(xiàn)了個(gè)別的聚變反應(yīng)； 1970年，前蘇聯(lián)在另外一臺(tái)“托卡馬克”裝置上第一次觀察到了聚變能量的輸出。 2006 年，國(guó)際熱核試驗(yàn)反應(yīng)堆（ 府間協(xié)議草簽，標(biāo)志這繼國(guó)際空間站之后最大的國(guó)際科學(xué)合作研究項(xiàng)目正式開(kāi)始。在此合作項(xiàng)目中，歐盟，美國(guó)，中國(guó)，俄羅斯，日本，韓國(guó)， 印度七方一共將投入 50 億美元。 球形托卡馬克（ 概念是由美籍華裔科學(xué)家彭元?jiǎng)P在 1986 年首次提出。球形托卡馬克就是地環(huán)徑比托卡馬克，它和傳統(tǒng)的托卡馬克相比有著以下的特點(diǎn)：緊致的結(jié)構(gòu)、自然拉長(zhǎng)、大 加了環(huán)向場(chǎng)的效率，低環(huán)向場(chǎng)，大等離子體電流，順磁性）、高 、高密度極限、更少的大破裂、更好的能量約束、可以達(dá)到改進(jìn)的約束模式。較小的環(huán)徑比導(dǎo)致了較強(qiáng)的耦合模式，尤其是在等離子體的外部區(qū)域。這可能會(huì)導(dǎo)致等離子體的變形。球形托卡馬克的特點(diǎn)就是在較小的磁場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)較大的等離子體壓力 ，在適中規(guī)模的等離子體上實(shí)現(xiàn)較好的能量約束，自舉電流比例較高，用較低的花費(fèi)實(shí)現(xiàn)較高的能量密度。采用這類型的裝置，可以在比傳統(tǒng)的托卡馬克裝置規(guī)模小的多的條件下實(shí)現(xiàn)同樣規(guī)模的聚變條件，其經(jīng)濟(jì)意義不言而喻 1 世界范圍內(nèi)的球形托卡馬克有： 國(guó)）、 西）、 羅斯）、 本）、 國(guó)）、 國(guó)）、 國(guó)）、 國(guó)）、 國(guó)）、 本）、 本）、本） 第 1 章 引 言 3 圖 世界范圍 內(nèi)的球形托卡馬克 21 世界上部分球形托卡馬克的主要參數(shù)（ 2001 年） 第 1 章 引 言 4 托卡馬克診斷技術(shù)概況 托卡馬克裝置中的高溫等離子體經(jīng)歷著十分復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)和變化過(guò)程。它們?cè)诋惓８邷?、高壓（或者真空）和?qiáng)而復(fù)雜的電磁場(chǎng)中產(chǎn)生各種復(fù)雜的磁流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程，各種波和不穩(wěn)定性。此外高溫等離子體內(nèi)部的各種各樣的粒子存在著復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形式（比如湍流， 輸運(yùn) ），還有粒子與電磁波之間的相互作用，等離子體和容器之間的相互作用。要實(shí)現(xiàn)可控聚變，首先要了解在托 卡馬克裝置中等離子體的物理過(guò)程。而診斷技術(shù)正是能夠提供以上的這些有用的數(shù)據(jù) 5 托卡馬克裝置中高溫等離子體的診斷方法可以分為兩類，一類是被動(dòng)地檢測(cè)從等離子體內(nèi)部射出來(lái)的一切物質(zhì)（包括從微波到 X 射線的各種頻區(qū)的電磁波，逃逸的原子、電子、中子、和其他的微粒子），以及等離子體在外部產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從而推斷高溫等離子體內(nèi)部的特性；另一類是主動(dòng)地送入各種形式的探針，例如各種實(shí)物探針（靜電探針、磁探針等）、微波探針、激光探針以及各種粒子探針等，他們深入等離子體內(nèi)部，并根據(jù)它們和等離子體相互作用的特性來(lái)對(duì)高溫等離子體 進(jìn)行診斷 5 研究現(xiàn)狀 分析研究磁約束裝置中的等離子體的各種不穩(wěn)定模式，找出消除和抑制這種不穩(wěn)定的方法是磁約束等離子體研究中的基本問(wèn)題之一。在載流等離子體中，其內(nèi)部的許多宏觀擾動(dòng)都表現(xiàn)為等離子體電流密度的某種擾動(dòng)模式，它所產(chǎn)生的磁場(chǎng)也隨之發(fā)生相應(yīng)的擾動(dòng)，可以借助 感應(yīng)式 磁探針 或者其他的 技術(shù)手段 對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。我們可以通過(guò) 內(nèi) 外的磁探針來(lái)測(cè)量 等離子體 磁場(chǎng)的時(shí)空變化，從而測(cè)定與等離子體電流有關(guān)的擾動(dòng)模式 5。 在托卡馬克實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，所觀察到的粒子和能量損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)碰撞輸運(yùn)理論的預(yù)計(jì)。這種“反常輸運(yùn)” 通常認(rèn)為是由等離子體內(nèi)部存在的湍性漲落所引起的。這種湍流引起的輸運(yùn)通常分為兩種極端的情況來(lái)進(jìn)行研究：一種是靜電湍流，即假設(shè)約束的磁場(chǎng)不變，而由振蕩的電場(chǎng)導(dǎo)致輸運(yùn)；另外一種是磁湍流，也就是由等離子體電流的漲落引起約束磁場(chǎng)的漲落，這時(shí)的磁面可能已經(jīng)被破壞。理論家們傾向于認(rèn)為靜電湍流對(duì)于反常輸運(yùn)的貢獻(xiàn)是主要的。但是還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的明確證明，有的裝置上發(fā)第 1 章 引 言 5 現(xiàn)磁漲落引起的輸運(yùn)是主要的，而有些裝置顯示磁漲落對(duì)輸運(yùn)的貢獻(xiàn)微不足道?，F(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)證明了在大環(huán)徑比、低 的試驗(yàn)裝置中，靜電漲落是湍流輸運(yùn)的主要機(jī)制，磁 漲落要比靜電漲落小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此可以忽略。對(duì)于低環(huán)徑比、高 的裝置，理論上認(rèn)為磁漲落的大小應(yīng)該是和靜電漲落可以相比擬，至少不會(huì)相差兩個(gè)量級(jí)。但是還沒(méi)有充分的實(shí)驗(yàn)證據(jù)來(lái)證明這些說(shuō)法。實(shí)驗(yàn)中的主要困難在于如何準(zhǔn)確獲取在高溫等離子體內(nèi)部的各種參量。因此，關(guān)于低環(huán)徑比、高 裝置上磁漲落對(duì)輸運(yùn)的貢獻(xiàn)也還沒(méi)有達(dá)到一個(gè)確定一致的結(jié)論7 磁診斷是幾乎所有等離子體研究裝置上一項(xiàng)重要的基本診斷方式，先前在 都進(jìn)行過(guò)這樣的診斷研究，并且得出了很多重要的研究結(jié)果。 1994 年 進(jìn)行了快速磁探針診斷研究，發(fā)現(xiàn)在 q=2 的有理面上，徑向熱通量幾乎完全是由磁湍流引起的，而在 r/a=%左右。 1995 年在 進(jìn)行的磁漲落的研究，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)漲落的水平在歐姆加熱、粒子回旋共振加熱以及低雜波加熱的條件下和 線性正相關(guān)，也證實(shí)了磁湍流是決定整個(gè)約束時(shí)間的主要機(jī)制。目前世界范圍內(nèi)的球形托卡馬克基本上都安裝了磁測(cè)量系統(tǒng)，并利用所得到的磁場(chǎng)信息進(jìn)行各種有特色的研究。比如： 用磁通量線圈 來(lái)研究重建磁場(chǎng)位形，將來(lái)準(zhǔn)備實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體位形的實(shí)時(shí)控制 ； 用探針信號(hào)研究磁平衡重建 ； 析磁探針信號(hào)研究 穩(wěn)定性以及 部重聯(lián)）現(xiàn)象 。但是對(duì)于熱等離子體的磁漲落的測(cè)量主要還是集中在邊界部分，比如在1981）， 1987）和 1987）上曾經(jīng)進(jìn)行過(guò)漲落和約束時(shí)間的相關(guān)研究。在球形托卡馬克裝置上進(jìn)行可移動(dòng)式的磁探針診斷和相應(yīng)的漲落研究 并不多見(jiàn) 111516。 另外，在分析方法的方面，各種托卡馬克裝置實(shí)驗(yàn)對(duì)于靜電漲落和磁漲落的研 究各具特色。比如： 據(jù) 針得到的數(shù)據(jù)用雙譜分析法研究等離子體邊界的擾動(dòng) (1993)； 波分析研究 針得到的數(shù)據(jù)以及徑向相關(guān)長(zhǎng)度 (1996)； 叉雙譜的方法研究不同頻率間的相位耦合以及在 率附近產(chǎn)生的漲落 (2001) ； D D 分析湍流與低頻漲落之間的非線性耦合 (2001)； 據(jù) 針得到的數(shù)據(jù)用雙譜分析法研究?jī)煞N漲落之間的非線性耦合 (2005) 以及用雙譜的方法 研究懸浮電勢(shì)漲落(2006)19202122232425。 第 1 章 引 言 6 與傳統(tǒng)的低 托卡馬克裝置相比，高 的磁約束裝置可能具有更大的磁場(chǎng)擾動(dòng)。在很多的等離子體實(shí)驗(yàn)裝置上都進(jìn)行過(guò)此類的研究，比如反場(chǎng)箍縮（ 直線裝置（ 等。在這些試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)磁漲落的主要分量是由環(huán)向的等離子體電流引起的極向場(chǎng)，并且磁場(chǎng)漲落帶走主要的能量。球形托卡馬克是一種高 的試驗(yàn)裝置， 對(duì)于 其中的能量 輸運(yùn) 磁漲落也應(yīng)該起著很重要的作用 7 但是，目前在球形托卡馬克上，在磁漲落方向進(jìn)行的研究還比較少。目前在 球形托卡馬克裝置 上 利用可移動(dòng)磁探針做內(nèi)部磁診斷以及 運(yùn)用雙 譜的分析方法進(jìn)行過(guò)磁漲落的分析 也不多見(jiàn) 。因此，我們?cè)?置上進(jìn)行此方面的研究具有一定的創(chuàng)新意義。 課題工作 診斷系統(tǒng)包括電磁測(cè)量、輻射測(cè)量、信號(hào)隔離和數(shù)據(jù)采集幾部分。作為邊界診斷的有效手段， 本課題利用磁 探針系統(tǒng)對(duì) 離子體 內(nèi)部及邊界磁場(chǎng) 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。內(nèi)容包括： 測(cè)出非感應(yīng)加熱條件 下邊界等離子體 的 極向 磁場(chǎng)強(qiáng)度 ，以及它們的徑向分布 ；運(yùn)用 “兩點(diǎn)交叉相關(guān)法” 研究磁漲落 與湍流反常輸運(yùn)以及能量的相互關(guān)系 。 本論文的 具體工作包括以下 幾 個(gè) 方面： 一、利用 測(cè)量系統(tǒng)獲得 磁線 圈感應(yīng)電壓；二、通過(guò)數(shù)據(jù)處理獲得 感應(yīng)加熱條件下的等離子體磁漲落量的徑向分布；三、利用“兩點(diǎn)交叉相關(guān)法”對(duì)磁漲落量進(jìn)行分析，獲得磁漲落量與湍流反常輸運(yùn)及能量的 相互關(guān)系，并與傳統(tǒng)托卡馬克以及球形托卡馬克上的靜電漲落分析進(jìn)行對(duì)比。 論文內(nèi)容安排如下第二章 簡(jiǎn)單 介紹我們實(shí)驗(yàn)的裝置 三章集中說(shuō)明磁測(cè)量系統(tǒng)的組成部分。 第四章簡(jiǎn)單介紹磁測(cè)量的相關(guān)知識(shí)。 第五 章介紹 “兩點(diǎn)交叉相關(guān)法”的 波數(shù)譜 分析手段 。第 六 章給出 利用“兩點(diǎn)交叉相關(guān)法”對(duì) 漲落的分析結(jié)果。第 七 章主要是對(duì)前面工作的討論、總結(jié)以 及展望將來(lái)要開(kāi)展的工作。 第 2 章 統(tǒng) 7 第 2 章 統(tǒng) 置簡(jiǎn)介 我國(guó)自行設(shè)計(jì)并建造的第一臺(tái)球形托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置，也是我國(guó)在托卡馬克成為主流磁約束聚變研究途徑之后，首次開(kāi)展非傳統(tǒng)托卡馬克途徑磁約束受控核聚變研究。裝置最初由國(guó)家自然科學(xué)基金委，清華大學(xué)，中國(guó)科學(xué)院物理研究所三家單位一起聯(lián)合支持， 1999 年開(kāi)始設(shè)計(jì)， 2002 年完成總裝，并進(jìn)行放電調(diào)試。 圖 置圖 置的總外徑約 1.4 m，裝置赤道面距離地平面 1.5 m，總高約 2.2 m。裝置總重小于 1000 接由地面支撐。主要設(shè)計(jì)參數(shù)分別是：等離子體第 2 章 統(tǒng) 8 大半徑 R 為 30 半徑 a 為 23徑比 A 然拉長(zhǎng)比 0 處的最大環(huán)向場(chǎng) ，最大的等離子體電流 50 和傳統(tǒng)的托卡馬克類似， 置 結(jié)構(gòu)的主體也是由環(huán)形真空室和三組脈沖磁體（ 環(huán)向場(chǎng)線圈、歐姆加熱場(chǎng)線圈和垂直場(chǎng)線圈 ）構(gòu)成，如圖所示。 圖 面簡(jiǎn)圖 環(huán)形真空室是由兩個(gè)半殼與管狀的中心柱經(jīng)交叉氟橡膠圈密封而成，中心柱半徑為 65 叉氟化橡膠密封 圈為整個(gè)真空室提供了沿環(huán)向和極向的真空密封和電隔離， 這種結(jié)構(gòu)中斷了真空室外殼上極向和環(huán)向的渦流回路，這將有利于節(jié)省等離子體啟動(dòng)過(guò)程中變壓器磁通的消耗。 真空室材料是 304 不銹鋼 。外殼直徑 1.2 m、高度 m、厚度 6 心柱外徑約 15 度 1 環(huán)向場(chǎng)線圈是一個(gè)螺線管，共 24 匝，沿真空室環(huán)向繞行，截面為矩形，第 2 章 統(tǒng) 9 它放電時(shí)產(chǎn)生托卡馬克所需的環(huán)向磁場(chǎng)； 歐姆加熱場(chǎng)線圈 (歐姆加熱螺線管 ) 位于中心柱的空筒內(nèi)， 高 1140 半徑 45 半徑 63 224 匝，它 放電時(shí)產(chǎn)生擊穿工作氣 體的環(huán)電壓并產(chǎn)生等離子體電流；垂直場(chǎng)線圈共三對(duì)，關(guān)于真空室赤道面對(duì)稱分布，水平環(huán)繞在真空室上，它放電時(shí)產(chǎn)生控制等離子體環(huán)的水平位置的垂直磁場(chǎng)。此外，在真空室頂端和底部還對(duì)稱分布著兩對(duì)補(bǔ)償線圈，共同為歐姆感應(yīng)加熱螺線管的雜散磁場(chǎng)提供補(bǔ)償。 置上已有的診斷設(shè)備 在等離子體實(shí)驗(yàn)裝置中，電流的大小，分布，在等離子體內(nèi)外的電場(chǎng)和磁場(chǎng)等等是實(shí)驗(yàn)的最基本的參數(shù)。對(duì)于這些參數(shù)的可靠的測(cè)量是做實(shí)驗(yàn)和理解實(shí)驗(yàn)中物理過(guò)程的基礎(chǔ)。等離子體診斷設(shè)備是磁約束聚變研究裝置的重要組成部分。在 置上面已經(jīng) 安裝的診斷設(shè)備有兩對(duì)羅柯夫斯基線圈， 9 個(gè)通量環(huán)，靜電探針， 8微波干涉儀，以及軟 X 射線陣列 第 3 章 磁測(cè)量系統(tǒng)的建立 11 第 3 章 磁測(cè)量 磁測(cè)量概述 在 磁 約束熱核實(shí)驗(yàn)裝置中，存在強(qiáng)大的磁場(chǎng)，這些磁場(chǎng)是由外導(dǎo)體中或等離子體本身流動(dòng)的電流所產(chǎn)生的。等離子體和磁場(chǎng)間存在著強(qiáng)烈的相互作用，人們就是利用這種相互作用來(lái)約束高溫等離子體。等離子體中的磁場(chǎng)的位形決定了等離子體的約束特性 樣，要完全地了解磁約束等離子體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，就必須研究其中磁場(chǎng)的空間分布及瞬時(shí)變化規(guī)律。因此在磁約束等離子體研究中，測(cè)量磁場(chǎng)的分布 是必不可少的。等離子體內(nèi)部磁場(chǎng)的測(cè)定方法大致可以分為兩類。一類是探針測(cè)量方法，其中最常用的是感應(yīng)式磁探針。它的結(jié)構(gòu)十分的簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)室可以自制；而且結(jié)構(gòu)形式及放置位置十分靈活和多樣化，可以根據(jù)不同的需要制成不同形式的探針，放置在空間的不同位置。用它可以得到大量有關(guān)的等離子體運(yùn)動(dòng)特征的信息，如等離子體電流、位移，磁流體不穩(wěn)定性，以及逆磁效應(yīng)等。此外，在早期研究工作中還曾用過(guò)磁電探針（如霍爾探針等），雖然它具有靈敏度高、響應(yīng)頻帶寬等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但由于它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要大功率穩(wěn)流源供電，而且它抗干擾、輻射、高溫 的性能較差，因而近來(lái)在高溫等離子體診斷中已經(jīng)很少用了。另一類是光譜方法，即利用磁場(chǎng)對(duì)等離子體輻射的影響，例如賽曼效應(yīng)、法拉第效應(yīng)等，來(lái)測(cè)量沿觀測(cè)方向上等離子體內(nèi)的平均磁場(chǎng)。 等離子體是一團(tuán)作各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的粒子的集合。在磁約束聚變研究中，人們已探索出各種特殊的磁場(chǎng)位形，試圖借助于強(qiáng)大的電磁力使高溫等離子體約束在平衡并且穩(wěn)定的狀態(tài)中達(dá)較長(zhǎng)的時(shí)間。然而至今我們還不能使這些等離子體的狀態(tài)是完全穩(wěn)定的，它還存在著種種不穩(wěn)定的情況。磁測(cè)量是研究等離子體宏觀不穩(wěn)定性的重要手段之一。因?yàn)樵诘入x子體當(dāng)中，其內(nèi)部的許多宏觀擾動(dòng) 都表現(xiàn)為等離子體內(nèi)部電流密度的某種擾動(dòng)模式，故它產(chǎn)生的磁場(chǎng)也將隨之發(fā)生相應(yīng)的擾動(dòng)，可見(jiàn)可以借助磁探針對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。擾動(dòng)模式不單一時(shí)，就需要對(duì)關(guān)聯(lián)探針的輸出信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析，來(lái)推斷 振蕩 的模式。 第 3 章 磁測(cè)量系統(tǒng)的建立 12 磁測(cè)量原理 內(nèi)部磁探針實(shí)際上是一個(gè)插入等離子體內(nèi)部的小螺線圈線圈，它的工作原理很簡(jiǎn)單。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)線圈所在的空間中磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，由于穿過(guò)線圈橫截面的磁通 發(fā)生變化時(shí)，在線圈兩端將產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) e f f d t d t (3式中 B為探針?biāo)诳臻g磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 在線圈軸向的分量 ，S，N 為線圈匝數(shù)， S 為線圈橫截面積， S 是引線和接頭所形成的附加的雜散面積。將 積分就可以得到 B，公式為 810e f v o l t (3式中 V 為實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的 磁場(chǎng)線圈感應(yīng)電壓 ， 積分常數(shù)。 由此可見(jiàn)感應(yīng)磁探針只能用來(lái)測(cè)量瞬變磁場(chǎng)，而不能測(cè)量靜磁場(chǎng)。 第 3 章 磁測(cè)量系統(tǒng)的建立 13 第 4 章 磁測(cè)量系統(tǒng) 磁探針 磁探針骨架材料是聚四氟乙烯，（如圖）。骨架大小為 10 10 10 線采用直徑為 漆包線。繞在內(nèi)部圓柱體的線圈測(cè)量的極向（外部磁力推桿旋轉(zhuǎn) 90即為環(huán)向）的磁場(chǎng)，其橫截面積約為 18 在外部的線圈是測(cè)量徑 向的磁場(chǎng)，其橫截面積約為 52 外線圈都均勻密繞200 匝。 一組（ 4 個(gè)）磁探針繞線完成之后，用特制膠固定在 140 10 2 鄰探針之間的距離為 30 個(gè)探針和支板與外部的磁力推桿固定。支板外面套有內(nèi)徑為 17.5 不銹鋼薄套管，來(lái)保證探針不受高溫的等離子體的侵蝕。不銹鋼套管沿軸向上下切割開(kāi)一對(duì)狹縫，使磁場(chǎng)能夠進(jìn)入到其內(nèi)部區(qū)域。 圖 磁探針線圈骨架圖 第 3 章 磁測(cè)量系統(tǒng)的建立 14 圖 磁探針實(shí)物圖 外部裝置 在中平面可以自由實(shí) 現(xiàn)徑向的進(jìn)動(dòng)以及沿磁力推桿軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)。從而測(cè)量的徑向磁場(chǎng)以及環(huán)向和極向的磁場(chǎng)。 第 3 章 磁測(cè)量系統(tǒng)的建立 15 圖 外部磁力推桿 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 流程圖如下圖所示。 第 3 章 磁測(cè)量系統(tǒng)的建立 16 圖 磁測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖 磁探針信號(hào)經(jīng)磁力推桿下方的密封接口分組導(dǎo)出到接線板。然后以雙絞線連接到一組有源積分器，（電路圖如下 圖 示，積分常數(shù)為 1 積分后的信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集到工控機(jī)。 第 3 章 磁測(cè)量系統(tǒng)的建立 17 V C e y = A 10k 50%568u F - P O 7u F - P O 2 7圖 有源積分器電路圖 采集頻率為 2 12 分辨率。 第 3 章 磁測(cè)量系統(tǒng)的建立 18 表 磁測(cè)量系統(tǒng)接線表 使用數(shù)據(jù)采集格式轉(zhuǎn)換軟件 (可以方便地將每一次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為易讀的 件。其界面如下圖所示 : 圖 格式轉(zhuǎn)換軟件界面圖 磁探針編號(hào) 磁場(chǎng)方向（推桿初始位置） 探針中心位于真空內(nèi)壁面時(shí)推桿刻度（ 接出線號(hào) 采集線號(hào) 采集箱號(hào) 采集通道 積分時(shí)間（ 縱軸單位（ V/ 縱軸單位（ 繞線匝數(shù) 向 396 01 01 1 00 向 396 02 03 2 00 向 426 03 04 1 00 向 426 04 09 2 00 向 456 05 014 2 00 向 456 06 015 2 00 向 486 07 27 200 向 486 08 44 200 第 3 章 磁測(cè)量系統(tǒng)的建立 19 探針的真空預(yù)處理 件 由聚四氟乙烯以及不銹鋼套管制成的磁探針本身吸附了很多空氣中的氮?dú)?，氧氣已及其他的雜質(zhì)氣體，這些雜質(zhì)將是 空的主要?dú)庠?。所以磁探針不能夠直接就進(jìn)入到真空室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。必須先經(jīng)過(guò)真空室外的空間釋放這些吸附的氣體才能進(jìn)入 真空室。單純的用真空泵抽氣，解吸及擴(kuò)散到表面再解吸氣體的衰減速率非常的緩慢。一臺(tái)金屬密封的不烘烤的真空系統(tǒng)，要達(dá)到超高真空（低于 10a）下平衡的放氣水平，需要大約 108 小時(shí)。我們采用烘烤的手段來(lái)加速氣體的擴(kuò)散和解吸，就可以在短時(shí)間內(nèi)使吸附在探針系統(tǒng)的雜 質(zhì)氣體衰減到我們真空系統(tǒng)可以接受的水平（ 10a） 26。 置在真空室外壁采用了 件烘烤方案，我們?cè)诖盘结樳M(jìn)入真空室前也同樣采用這樣的方法，來(lái)釋放探針吸附的氣體。正溫度系數(shù)電阻（ 件電阻 為居里點(diǎn)（ 在溫度達(dá)到居里點(diǎn)以后，其阻值急劇增加，電阻率溫度系數(shù)可以到達(dá)（ 15% / 以上。利用這一特性可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小真空室的恒溫加熱自動(dòng)控制 26。 件貼片先固定在一片光滑的薄銅板上，然后再將銅板緊緊貼在小真空室的外壁，它從電路分壓 中得到電功率（ 發(fā)熱并把熱量傳導(dǎo)給銅板和真空室。 件在常溫時(shí)電阻很小，隨著溫度的升高，電阻開(kāi)始增大。在溫度達(dá)到居里點(diǎn)的溫度（ 后，電阻急劇增大。 第 3 章 磁測(cè)量系統(tǒng)的建立 20 圖 片電阻與光滑薄銅板的連接圖 當(dāng)溫度為 件熱源對(duì)真空室供熱時(shí)，有 式中 件到真空室表面的熱導(dǎo)系數(shù)，包括了 安裝結(jié)構(gòu)間的接觸熱導(dǎo)、安裝結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)、安裝結(jié)構(gòu)與真空室間的接觸熱導(dǎo)；真空室表面（與安裝結(jié)構(gòu)接觸部分）的 溫度 26。 這樣的烘烤系統(tǒng)的自然最終平衡烘烤溫度（ 決于系統(tǒng)的漏熱（ 當(dāng)它與 當(dāng)時(shí)的溫度即為 統(tǒng)的漏熱功率 它是通過(guò)漏熱熱導(dǎo)系數(shù)漏放到室溫體系中去的熱量。這是一個(gè)極復(fù)雜的綜合量，包括了種種傳到室溫表面的過(guò)程（如經(jīng)過(guò)保溫層、法蘭連接管道等等）及室溫表面的散熱過(guò)程（如對(duì)流、輻射）。 與在真空室外的烘烤設(shè)備一致，我們同樣選取了居里點(diǎn)為 160的件。其電壓 第 3 章 磁測(cè)量系統(tǒng)的建立 21 圖 壓電流曲線圖 通電之后，當(dāng)電壓較低時(shí)，由功耗引起的溫升很慢，工作在 ；調(diào)高電壓，增大功率，當(dāng)溫度達(dá)到居里點(diǎn)以后，由于正溫度系數(shù)的調(diào)節(jié)效應(yīng)，進(jìn)入等功率段（ 增加電壓對(duì)功率影響不大。我們使用 片電阻做熱源，工作點(diǎn)是在 ，其功率大約是在 10 之間。 考慮到磁力推桿外壁的形狀，我們的烘烤 片電阻分為兩組，一組六個(gè)，一組三個(gè)，分別用導(dǎo)熱導(dǎo)電膠固定在打磨光滑的薄銅片上。然后用細(xì)鐵絲將薄銅片緊貼固定在磁力推桿的外壁。如下圖所示。 片電阻的兩面就是電阻的兩極，其中 一面用導(dǎo)電膠貼在薄銅片上，和真空室外壁（接地）是連通。為了保證電路的連通，我們將打磨光滑的薄銅片剪切成為略小于 小圓片，用導(dǎo)電膠貼在 片的另一極。將導(dǎo)線焊接到銅片引出，從而完成了電路的連接。 導(dǎo)熱導(dǎo)電膠是一種加熱后凝結(jié)固化的特種膠，價(jià)格不菲，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在將 件粘貼在銅片上時(shí)，必須同步一起加熱。也就是說(shuō)我們要同時(shí)將一組 件用導(dǎo)電膠和銅片固定起來(lái)。實(shí)驗(yàn)中因?yàn)槟z體在常溫下過(guò)于稀釋，常常會(huì)出現(xiàn)，膠體將 件兩極連接起來(lái)的情況。另外在 件第 3 章 磁測(cè)量系統(tǒng)的建立 22 的每一面涂多少導(dǎo)電膠也有講究，涂得 過(guò)多，或者導(dǎo)致兩極短路，或者導(dǎo)致導(dǎo)電膠過(guò)多而短路，涂得過(guò)少則會(huì)出現(xiàn)粘結(jié)不牢靠，銅片和 易分離的情況出現(xiàn)。 在 片電阻安裝好了之后，還要在其外面裹上保溫材料來(lái)保溫，減少 件和室內(nèi)空氣的熱交換，增加加熱的效率。在這里我們就用了普通的棉被來(lái)做保溫的材料。 烘烤電路 我們兩組的 片電阻均是并聯(lián)，電壓范圍是 0們用華通機(jī)電有限公司的變壓器（輸出電壓范圍是 0 ）來(lái)為 片電阻提供 110 V 左右的電壓。在并聯(lián)每一路 串聯(lián)了 按鈕開(kāi)關(guān)、 保險(xiǎn)絲以及 用于顯 示狀態(tài)的小燈。在實(shí)際操作中，我們先開(kāi)啟一路 片電阻，用感應(yīng)電流表測(cè)得其電流減少到 左右時(shí)，再開(kāi)啟下一路，以此類推，將所有的 入電路。 其電路以及實(shí)物如下圖所示。 第 3 章 磁測(cè)量系統(tǒng)的建立 23 圖 輔助烘烤設(shè)備 (變壓器以及開(kāi)關(guān)部分 ) 在 片電阻 輔助 烘烤的 幫助下 ，磁探針?biāo)诘耐獠看帕ν茥U的小 腔體內(nèi)的氣壓在 機(jī)械泵和離子泵的作用下 一天之內(nèi)就可以降到到 10a，而真空室的氣壓一般在 4 1010a。此時(shí)就可以開(kāi)啟連接磁力推桿小腔體和真空室的閥門，使得磁探針