CN107132568A - 计算佳拉洁雅磁阱中等离子体分界面压强的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种计算佳拉洁雅磁阱中等离子体分界面压强的系统和方法。该系统和方法根据发明人建立的佳拉洁雅磁阱中等离子体的总抗磁电流与等离子体分界面压强的数学模型，利用计算获得的佳拉洁雅磁阱磁场的磁感应强度和测量获得的等离子体抗磁电流等参数，就可以依据相应的数学模型计算出佳拉洁雅磁阱中等离子体分界面处的压强。相比于使用现有技术中的郎缪尔探针和微波干涉仪，该系统和方法具有结构灵活、动态响应好的优点。本发明只需要通过测量佳拉洁雅磁阱的总抗磁电流，充分考虑在约束线圈周围区域等离子体的接触损失对等离子体总抗磁电流的影响，就可实现对佳拉洁雅磁阱等离子体分界面处压强的精确计算。

Description

计算佳拉洁雅磁阱中等离子体分界面压强的系统和方法

技术领域

本发明涉及等离子体磁约束领域，具体涉及一种计算佳拉洁雅磁阱中等离子体分界面压强的系统和方法。

背景技术

目前，具有代表性的磁约束装置有托卡马克装置和仿星器。托卡马克装置是利用等离子体电流形成的极向磁场和装置本身产生的环形磁场共同作用来实现对等离子体的磁约束。而仿星器则是通过在装置外部放置产生螺旋磁场的线圈以代替有等离子体电流产生的磁场，这样可以避免由等离子体电流变化所造成磁场位形畸变，降低等离子体大破裂的发生。

佳拉洁雅磁阱磁约束装置——作为非托卡马克型受控热核聚变等离子体磁约束的初级研究装置——与托卡马克装置、仿星器等磁约束装置相比，具有结构简单、体积小、可控性好、能自动抑制等离子体的互换不稳定性等优点。在磁约束装置中，等离子体的压强表征了等离子体在装置中的分布情况，是后续用于等离子平衡控制的重要参数。等离子体的压强并不能通过直接测量的方式获得，通常是先测量等离子体的密度和等离子体温度，然后根据气体状态方程计算等离子体的压强。

目前，托卡马克和仿星器等磁约束装置中通常使用郎缪尔探针和微波干涉仪测量等离子体密度和等离子体温度。郎缪尔探针和微波干涉仪并不适合用来进行等离子体压强的测量。这是因为根据郎缪尔探针工作原理可知，它只能测量某一固定时间内的等离子体温度，更适用于托卡马克和仿星器这种稳态装置，而不适用于工作在脉冲工作方式下的佳拉洁雅磁阱。另外，郎缪尔探针使用时需要插入到等离子体中，这样就会对等离子体造成污染，同时高温等离子体也会损坏探针。而微波干涉仪装置结构复杂，空间分辨率低。

因此，如何设计一种适用于佳拉洁雅磁阱装置的等离子体压强测量的系统和方法，可以连续测量等离子体压强，且测量系统的结构简单可靠，成为各方所努力研究的课题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种计算佳拉洁雅磁阱中等离子体分界面压强的系统和方法。相比于使用现有技术中的郎缪尔探针和微波干涉仪，该系统和方法具有结构灵活、动态响应好的优点。利用计算获得的佳拉洁雅磁阱磁场的磁感应强度和测量获得的等离子体抗磁电流等参数，充分考虑在约束线圈周围区域等离子体的接触损失对等离子体总抗磁电流的影响，实现对佳拉洁雅磁阱等离子体分界面处压强的精确计算，避免郎缪尔探针只能测量稳态等离子体温度的缺点，实现对佳拉洁雅磁阱装置中测量等离子体压强连续测量。

为了达到上述目的，本发明提供了一种计算佳拉洁雅磁阱中等离子体分界面压强的系统，该系统包括：依次相连的抗磁电流测量模块(10)、抗磁电流分布参数模块(20)、磁场系数计算模块(30)和分界面压强计算模块(40)；

佳拉洁雅磁阱的等离子体抗磁电流划分为四个分布区域，分别为S1、S2、S3和S4，其中，分布区域S2和S3具有对称性；分布区域S1、S2、S3和S4的抗磁电流分别为I_D1、I_D2、I_D3和I_D4，其中I_D1与I_D2、I_D3和I_D4的方向相反；同时，佳拉洁雅磁阱有三个约束线圈，其周围区域划分为S_b2、S_b3、S_b4，其对应的抗磁电流分别为I_Db2、I_Db3、I_Db4，其中，S_b2、S_b3具有对称性；因此，在佳拉洁雅磁阱中等离子体的总抗磁电流I_D＝I_D1-(I_D2-I_Db2)-(I_D3-I_Db3)-(I_D4-I_Db4)；

抗磁电流测量模块(10)，包括电流传感器和数字积分器；电流传感器测量在佳拉洁雅磁阱的等离子体各分布区域S₁、S₂、S₄和各约束线圈周围区域S_b2、S_b3、S_b4的等离子体抗磁电流产生的感应电压信号；然后对电流传感器测量到的各感应电压信号进行采样和滤波处理，再经过数字积分器进行数字积分后，就分别计算出了在各分布区域S₁、S₂、S4中的抗磁电流I_D1、I_D2、I_D4和在各约束线圈周围区域S_b2、S_b3、S_b4中的抗磁电流I_Db2、I_Db3和I_Db4，并发送给抗磁电流分布参数模块(20)；抗磁电流分布参数模块(20)，接收来自于抗磁电流测量模块(10)的各分布区域的抗磁电流I_D1、I_D2、I_D4和各约束线圈周围区域的抗磁电流I_Db2、I_Db3和I_Db4，根据公式1，经过加减法计算，计算出在佳拉洁雅磁阱中等离子体的总抗磁电流I_D，并发送给分界面压强计算模块(40)；

其中，公式1是总抗磁电流表达式；

I_D＝I_D1-2I_D2-I_D4+2I_Db2+I_Db4 (公式1)；

磁场系数计算模块(30)用于：通过对在等离子体分布区域S1、S2、S4中所包含的每个磁面上的磁感应强度B(l)的倒数与磁面周长的乘积进行积分求和，根据公式3，来分别计算出在等离子体分布区域S1、S2、S4中的磁场系数数值K₁、K₂和K₄，并发送给分界面压强计算模块(40)；

其中，公式3是磁场系数表达式；

其中，n是分布区域S₁中所包含的闭合磁面数量；m是分布区域S₂中所包含的闭合磁面数量；k是分布区域S₄中所包含的闭合磁面数量；i是不小于零的整数；B(l)是各磁面上的磁感应强度；dl是两个相邻的磁面L_i和L_i+1的位形截面上的微元；

分界面压强计算模块(40)用于：根据总抗磁电流与分界面压强的数学模型，代入根据抗磁电流分布参数模块(20)得到的佳拉洁雅磁阱总抗磁电流I_D，以及，磁场系数计算模块(30)得到的在等离子体分布区域S1、S2、S4中的磁场系数数值K₁、K₂和K₄，来计算佳拉洁雅磁阱的等离子体分界面压强P₀，

其中，公式5是佳拉洁雅磁阱总抗磁电流与分界面压强的数学模型；

为了达到上述目的，本发明提供了一种应用于上述系统的计算佳拉洁雅磁阱中等离子体分界面压强的方法，包括以下步骤：

步骤A10：

电流传感器测量在佳拉洁雅磁阱的等离子体各分布区域S₁、S₂、S₄和各约束线圈周围区域S_b2、S_b3、S_b4的等离子体抗磁电流产生的感应电压信号；抗磁电流测量模块(10)对电流传感器测量到的各感应电压信号进行采样和滤波处理，经过数字积分器进行数字积分后，抗磁电流测量模块(10)就分别计算出了在各分布区域S₁、S₂、S₄中的抗磁电流I_D1、I_D2、I_D4和在各约束线圈周围区域S_b2、S_b3、S_b4中的抗磁电流I_Db2、I_Db3和I_Db4，并发送给抗磁电流分布参数模块(20)；

步骤A20：

抗磁电流分布参数模块(20)，接收来自于抗磁电流测量模块(10)的各分布区域的抗磁电流I_D1、I_D2、I_D4和各约束线圈周围区域的抗磁电流I_Db2、I_Db3和I_Db4，根据公式1，经过加减法计算，计算出在佳拉洁雅磁阱中等离子体的总抗磁电流I_D，并发送给分界面压强计算模块(40)；

其中，公式1是总抗磁电流表达式；

I_D＝I_D1-2I_D2-I_D4+2I_Db2+I_Db4 (公式1)；

步骤A30：

磁场系数计算模块(30)，通过对在等离子体分布区域S1、S2、S4中所包含的每个闭合磁面上的磁感应强度B(l)的倒数进行积分求和，根据公式3，来分别计算出在等离子体分布区域S1、S2、S4中的磁场系数数值K₁、K₂和K₄，并发送给分界面压强计算模块(40)；

其中，公式3是磁场系数表达式；

其中，n是分布区域S₁中所包含的闭合磁面数量；m是分布区域S₂中所包含的闭合磁面数量；k是分布区域S₄中所包含的闭合磁面数量；i是不小于零的整数；B(l)是各磁面上的磁感应强度；dl是两个相邻的磁面L_i和L_i+1的位形截面上的微元；

步骤A40：

分界面压强计算模块(40)，接收在步骤A20中抗磁电流分布参数模块(20)发送的总抗磁电流数值I_D，并且，接收在步骤A30中磁场系数计算模块(30)发送的磁场系数数值K₁、K₂和K₄，然后，根据公式5，即可计算并输出：佳拉洁雅磁阱的等离子体分界面压强P₀；

其中，公式5是佳拉洁雅磁阱总抗磁电流与分界面压强的数学模型；

本发明的有益技术效果在于，提供一种计算佳拉洁雅磁阱中等离子体分界面压强的系统和方法。该方法根据发明人建立的佳拉洁雅磁阱中等离子体的总抗磁电流与等离子体分界面压强的数学模型，利用计算获得的佳拉洁雅磁阱磁场的磁感应强度和测量获得的等离子体抗磁电流等参数，就可以依据相应的数学模型计算出佳拉洁雅磁阱中等离子体分界面处的压强。相比于使用现有技术中的郎缪尔探针和微波干涉仪，该系统和方法具有结构灵活、动态响应好的优点。本发明只需要通过测量佳拉洁雅磁阱的总抗磁电流通过计算佳拉洁雅磁阱磁场的磁感应强度和测量等离子抗磁电流参数，充分考虑在约束线圈周围区域等离子体的接触损失对等离子体总抗磁电流的影响，就可实现对佳拉洁雅磁阱等离子体分界面处压强的精确计算，避免了郎缪尔探针只能测量稳态等离子体温度的缺点，实现了对佳拉洁雅磁阱装置中测量等离子体压强连续测量。

附图说明

图1是本发明涉及的佳拉洁雅磁阱中抗磁电流分布区域的示意图。

图2是本发明提供的一种计算佳拉洁雅磁阱中等离子体分界面压强的系统的结构示意图。

图3是本发明提供的一种计算佳拉洁雅磁阱中等离子体分界面压强的方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的原理和特征进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

发明人提出了一种计算佳拉洁雅磁阱中等离子体分界面压强的系统和方法，即通过测量佳拉洁雅磁阱中等离子体的总抗磁电流和佳拉洁雅磁阱的磁场位形分布，消除了约束线圈周围区域等离子体抗磁电流的影响，从而实现佳拉洁雅磁阱等离子体分界面处压强的精确计算。相对于使用郎缪尔探针和微波干涉仪，本系统和方法具有结构灵活、动态响应好的优点。

图1是本发明涉及的，在磁阱线圈的截面上，佳拉洁雅磁阱中抗磁电流分布区域的示意图。如图1所示，本发明佳拉洁雅磁阱主要包含四个线圈，即外部线圈R₂和R₃，内部线圈R1和补偿线圈R4。其中，线圈R1、R2和R3是用于约束等离子体的约束线圈。图1中，横轴R代表磁阱线圈半径，坐标轴R表示沿着佳拉洁雅磁阱线圈的半径的方向。纵轴Z代表线圈之间的距离。坐标轴Z表示垂直于磁阱线圈的方向。图1中的曲线是磁力线，磁力线与等压面是重合的。当佳拉洁雅磁阱中的等离子体达到磁流体平衡后，其等离子体压强梯度、磁场的磁感应强度和等离子体抗磁电流满足磁流体力学的平衡条件即等离子体的等压面与磁面重合。根据佳拉洁雅磁阱中等离子体分布特性，将佳拉洁雅磁阱的等离子体抗磁电流划分为四个分布区域，分别为S1、S2、S3和S4，其中，分布区域S2和S3具有对称性；其抗磁电流分别为I_D1、I_D2、I_D3和I_D4，相应分布区域的压强分别为P_b1、P_b2、P_b3、P_b4。同时，佳拉洁雅磁阱有三个约束线圈，约束线圈周围区域中的等离子体与线圈产生接触损失。需要单独将约束线圈周围区域划分为S_b2、S_b3、S_b4，其对应的抗磁电流为I_Db2、I_Db3、I_Db4，其中，S_b2、S_b3具有对称性。由于约束线圈周围区域的抗磁电流会对佳拉洁雅磁阱的总抗磁电流造成影响，进而影响等离子体分界面压强的计算精度，因此在实际计算中需要减去线圈周围区域S_b2、S_b3、S_b4中的抗磁电流。佳拉洁雅磁阱的等离子体分界面压强为P₀。等离子体分界面压强是指磁阱中等离子体与磁场分界面处的压强。从该分界面向外，等离子体压强逐渐减小。分界面压强是磁阱中等离子体的最大压强。

数学模型的推导过程：

推导过程第一步——为了解决计算等离子体分界面压强的技术问题，第一步考虑，将佳拉洁雅磁阱中的等离子体抗磁电流的划分不同分布区域：

根据图1，根据佳拉洁雅磁阱中等离子体运动特性，将佳拉洁雅磁阱的等离子体抗磁电流划分为四个分布区域，分别为S1、S2、S3和S4。同时，佳拉洁雅磁阱有三个约束线圈，可将约束线圈周围区域划分为S_b2、S_b3、S_b4。

推导过程第二步——为了解决计算等离子体分界面压强的技术问题，第二步考虑，建立总抗磁电流表达式：

四个分布区域中，分布区域S2和S3具有对称性；分布区域S1、S2、S3和S4的抗磁电流分别为I_D1、I_D2、I_D3和I_D4，其中I_D1与I_D2、I_D3和I_D4的方向相反。同时，佳拉洁雅磁阱有三个约束线圈，其周围区域划分为S_b2、S_b3、S_b4，其对应的抗磁电流分别为I_Db2、I_Db3、I_Db4，其中，S_b2、S_b3具有对称性。

经过对图1进行分析，在佳拉洁雅磁阱的各个等离子体分布区域S₁、S₂、S₃和S₄中，等离子体抗磁电流等于：所在分布区域的所有相邻磁面之间流经的抗磁电流之和，减去S_b2、S_b3、S_b4区域中的抗磁电流I_Db2、I_Db3、I_Db4；因此，确定四个分布区域中的等离子体抗磁电流I_D1、I_D2、I_D3和I_D4以及三个线圈区域抗磁电流I_Db2、I_Db3、I_Db4的方向后，建立各个分布区域的抗磁电流与总抗磁电流的表达式：在佳拉洁雅磁阱中等离子体的总抗磁电流I_D＝I_D1-(I_D2-I_Db2)-(I_D3-I_Db3)-(I_D4-I_Db4)。

由于佳拉洁雅磁阱的结构对称性，抗磁电流满足I_D2＝I_D3和I_Db2＝I_Db3，

因此，总抗磁电流表达式为：

总抗磁电流I_D＝I_D1-2I_D2-I_D4+2I_Db2+I_Db4 (公式1)。

推导过程第三步——为了解决计算等离子体分界面压强的技术问题，第三步考虑，在不同分布区域中，根据佳拉洁雅磁阱中等离子体满足磁流体力学平衡的条件ΔP＝jB，分别建立抗磁电流I_D1、I_D2、I_D3、I_D4与等离子体分布区域压强P_b1、P_b2、P_b3、P_b4的模型：

四个分布区域S₁、S₂、S₃和S₄的压强分别为P_b1、P_b2、P_b3、P_b4，佳拉洁雅磁阱的等离子体分界面压强为P₀。

首先，佳拉洁雅磁阱中的等压面和磁面是相互重合的，其中，两个相邻的磁面分别为L_i和L_i+1，取其位形截面上的微元(即，一小段长度)dl所环成半径为r的圆柱体积内的等离子体。当dl以及L_i和L_i+1之间的间距取得足够小时，则可以认为这一体积内的抗磁电流的线密度j，磁感应强度B(l)是恒定不变的，

另外，当磁阱中等离子体达到平衡状态时，同一磁面上的抗磁电流可以认为是均匀分布的，由安培定律可知，在dl所环成的体积内的等离子体压强ΔP为

因此，通过对佳拉洁雅磁阱磁约束装置约束等离子体的原理进行分析，当佳拉洁雅磁阱中的等离子达到磁流体平衡后，其等离子体压强梯度ΔP、磁场的磁感应强度B(l)和等离子体抗磁电流的线密度j满足磁流体力学的平衡条件ΔP＝jB。

两个相邻的磁面L_i、L_i+1对应的压强分别为P_i和P_i+1，P_i等压面和P_i+1等压面这两个等压面之间的等离子体压强ΔP与其中的等离子体抗磁电流ΔI_D的关系式为

等离子体抗磁电流等于所在分布区域的所有相邻磁面之间流经的抗磁电流之和，同样对佳拉洁雅磁阱的所有等离子体分布区域都适合，因此抗磁电流I_D1、I_D2、I_D4、I_Db2、I_Db3、I_Db4与等离子体分界面压强P₀的数学模型：

可计算出在等离子体分布区域S₁、S₂、S₄中的抗磁电流数值I_D1、I_D2、I_D4。

式中，n是分布区域S₁中所包含的闭合磁面数量；m是分布区域S₂中所包含的闭合磁面数量；k是分布区域S₄中所包含的闭合磁面数量；i是不小于零的整数；B(l)是各磁面上的磁感应强度；dl是两个相邻的磁面L_i和L_i+1的位形截面上的微元。

推导过程第四步——为了解决计算等离子体分界面压强的技术问题，第四步考虑，建立在佳拉洁雅磁阱中等离子体不同分布区域中的磁场系数的表达式：

通过对在等离子体分布区域S1、S2、S4中所包含的每个磁面上的磁感应强度B(l)的倒数与磁面周长的乘积进行积分求和，根据公式3，来分别计算出在等离子体分布区域S1、S2、S4中的磁场系数数值K₁、K₂和K₄；

其中，公式3是磁场系数表达式；

推导过程第五步——为了计算佳拉洁雅磁阱中等离子体分界面压强，最后一步考虑，建立佳拉洁雅磁阱总抗磁电流与分界面压强的数学模型：

根据不同分布区域的抗磁电流与等离子体分界面压强的数学模型(公式2)和磁场系数表达式(公式3)，来建立等离子体分界面压强P₀、佳拉洁雅磁阱磁场系数数值K₁、K₂和K₄和等离子体总抗磁电流I_D之间的关系式(公式4)：

I_D＝P₀(K₁-2K₂-K₄) (公式4)

对此关系式(公式4)进行变形，得到佳拉洁雅磁阱的总抗磁电流与分界面压强P₀的数学模型(公式5)：

由于经过若干步骤的推导，终于得到了上述佳拉洁雅磁阱总抗磁电流与分界面压强的数学模型；因此，通过测量佳拉洁雅磁阱等离子体的总抗磁电流I_D和计算佳拉洁雅磁阱磁场的磁场系数数值K₁、K₂和K₄，就可以得到佳拉洁雅磁阱的等离子体分界面压强P₀，就能解决本发明的技术问题。

图2是本发明提供的一种计算佳拉洁雅磁阱中等离子体分界面压强的系统的结构示意图。

如图2所示，本发明还提供了一种计算佳拉洁雅磁阱中等离子体分界面压强的系统的结构。该系统包括：依次相连的抗磁电流测量模块10、抗磁电流分布参数模块20、磁场系数计算模块30和分界面压强计算模块40；

佳拉洁雅磁阱的等离子体抗磁电流划分为四个分布区域，分别为S1、S2、S3和S4，其中，分布区域S2和S3具有对称性；分布区域S1、S2、S3和S4的抗磁电流分别为I_D1、I_D2、I_D3和I_D4，其中I_D1与I_D2、I_D3和I_D4的方向相反；同时，佳拉洁雅磁阱有三个约束线圈，其周围区域划分为S_b2、S_b3、S_b4，其对应的抗磁电流分别为I_Db2、I_Db3、I_Db4，其中，S_b2、S_b3具有对称性；因此，在佳拉洁雅磁阱中等离子体的总抗磁电流I_D＝I_D1-(I_D2-I_Db2)-(I_D3-I_Db3)-(I_D4-I_Db4)；

抗磁电流测量模块10，包括电流传感器和数字积分器；电流传感器测量在佳拉洁雅磁阱的等离子体各分布区域S₁、S₂、S₄和各约束线圈周围区域S_b2、S_b3、S_b4的等离子体抗磁电流产生的感应电压信号；然后对电流传感器测量到的各感应电压信号进行采样和滤波处理，再经过数字积分器进行数字积分后，就分别计算出了在各分布区域S₁、S₂、S₄中的抗磁电流I_D1、I_D2、I_D4和在各约束线圈周围区域S_b2、S_b3、S_b4中的抗磁电流I_Db2、I_Db3和I_Db4，并发送给抗磁电流分布参数模块20；优选地，电流传感器采用罗氏线圈；优选地，信号的采样频率为10MHz，滤波器为数字低通滤波器，截止频率为47KHz；

抗磁电流分布参数模块20，用于接收来自于抗磁电流测量模块(10)的各分布区域的抗磁电流I_D1、I_D2、I_D4和各约束线圈周围区域的抗磁电流I_Db2、I_Db3和I_Db4，根据公式1，经过加减法计算，计算出在佳拉洁雅磁阱中等离子体的总抗磁电流I_D，并发送给分界面压强计算模块(40)；

其中，公式1是总抗磁电流表达式；

I_D＝I_D1-2I_D2-I_D4+2I_Db2+I_Db4 (公式1)；

磁场系数计算模块30用于：通过对在等离子体分布区域S1、S2、S4中所包含的每个磁面上的磁感应强度B(l)的倒数与磁面周长的乘积进行积分求和，根据公式3，来分别计算出在等离子体分布区域S1、S2、S4中的磁场系数数值K₁、K₂和K₄，并发送给分界面压强计算模块40；

其中，用FEMM仿真软件来计算在各磁面上的磁感应强度B(l)；

其中，公式3是磁场系数表达式；

其中，n是分布区域S₁中所包含的闭合磁面数量；m是分布区域S₂中所包含的闭合磁面数量；k是分布区域S₄中所包含的闭合磁面数量；i是不小于零的整数；B(l)是各磁面上的磁感应强度；dl是两个相邻的磁面L_i和L_i+1的位形截面上的微元；

分界面压强计算模块40用于：根据总抗磁电流与分界面压强的数学模型，代入根据抗磁电流分布参数模块20得到的佳拉洁雅磁阱总抗磁电流I_D，以及，磁场系数计算模块30得到的在等离子体分布区域S1、S2、S4中的磁场系数数值K₁、K₂和K₄，来计算佳拉洁雅磁阱的等离子体分界面压强P₀，

其中，公式5是佳拉洁雅磁阱总抗磁电流与分界面压强的数学模型；

图3是本发明提供的一种计算佳拉洁雅磁阱中等离子体分界面压强的方法的流程图。如图3所示，本发明提供了一种计算佳拉洁雅磁阱中等离子体分界面压强的方法，包括以下步骤：

步骤A10：

在图2示出的抗磁电流测量模块10中，电流传感器测量在佳拉洁雅磁阱的等离子体各分布区域S₁、S₂、S₄和各约束线圈周围区域S_b2、S_b3、S_b4的等离子体抗磁电流产生的感应电压信号；抗磁电流测量模块10对电流传感器测量到的各感应电压信号进行采样和滤波处理，经过数字积分器进行数字积分后，抗磁电流测量模块10就分别计算出了在各分布区域S₁、S₂、S₄中的抗磁电流I_D1、I_D2、I_D4和在各约束线圈周围区域S_b2、S_b3、S_b4中的抗磁电流I_Db2、I_Db3和I_Db4，并发送给抗磁电流分布参数模块20；

步骤A20：

图2示出的抗磁电流分布参数模块20，接收来自于抗磁电流测量模块10的各分布区域S₁、S₂、S₄的抗磁电流I_D1、I_D2、I_D4和各约束线圈周围区域的抗磁电流I_Db2、I_Db3和I_Db4，根据公式1，经过加减法计算，计算出在佳拉洁雅磁阱中等离子体的总抗磁电流I_D，并发送给分界面压强计算模块40：

其中，公式1是总抗磁电流表达式；

I_D＝I_D1-2I_D2-I_D4+2I_Db2+I_Db4 (公式1)；

步骤A30：计算佳拉洁雅磁阱中等离子体分布区域中的磁场系数数值：

图2示出的磁场系数计算模块30，根据公式3，来分别计算出在等离子体分布区域S1、S2、S4中的磁场系数数值K₁、K₂和K₄，并发送给分界面压强计算模块40；

其中，公式3是磁场系数表达式；

其中，n是分布区域S₁中所包含的闭合磁面数量；m是分布区域S₂中所包含的闭合磁面数量；k是分布区域S₄中所包含的闭合磁面数量；i是不小于零的整数；B(l)是各磁面上的磁感应强度；dl是两个相邻的磁面L_i和L_i+1的位形截面上的微元；

其中，用FEMM仿真软件来计算在各磁面上的磁感应强度B(l)；

步骤A40：计算佳拉洁雅磁阱的等离子体分界面压强：

图2示出的分界面压强计算模块40，接收在步骤A20中抗磁电流分布参数模块20发送的总抗磁电流数值I_D，并且，接收在步骤A30中磁场系数计算模块30发送的磁场系数数值K₁、K₂和K₄，根据公式5，即可计算并输出：佳拉洁雅磁阱的等离子体分界面压强P₀；

其中，公式5是佳拉洁雅磁阱总抗磁电流与分界面压强的数学模型；

本发明的有益技术效果在于，提供一种计算佳拉洁雅磁阱中等离子体分界面压强的系统和方法。通过对佳拉洁雅磁阱抗磁电流分布区域的分析，得出了佳拉洁雅磁阱中等离子体的总抗磁电流的表达式。当佳拉洁雅磁阱中等离子体满足磁流体平衡后，磁流体力学的平衡条件ΔP＝jB得到满足。在最后建立佳拉洁雅磁阱抗磁电流与等离子体分界面压强的数学模型后，根据此数学模型，利用计算获得的佳拉洁雅磁阱磁场的磁感应强度和测量获得的等离子体抗磁电流等参数，就可以依据相应的数学模型计算出佳拉洁雅磁阱中等离子体分界面处的压强。

相比于使用现有技术中的郎缪尔探针和微波干涉仪，本发明的系统和方法具有结构灵活、动态响应好的优点。本发明只需要通过测量等离子体抗磁电流I_D1、I_D2、I_D4等参数，并通过计算佳拉洁雅磁阱磁场的磁感应强度B(l)，充分考虑了在约束线圈周围区域等离子体的接触损失对等离子体总抗磁电流的影响，就可实现对佳拉洁雅磁阱等离子体分界面处压强的精确计算，避免了郎缪尔探针只能测量稳态等离子体温度的缺点，实现了对佳拉洁雅磁阱装置中测量等离子体压强连续测量。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种计算佳拉洁雅磁阱中等离子体分界面压强的系统，该系统包括：依次相连的抗磁电流测量模块(10)、抗磁电流分布参数模块(20)、磁场系数计算模块(30)和分界面压强计算模块(40)；

佳拉洁雅磁阱的等离子体抗磁电流划分为四个分布区域，分别为S1、S2、S3和S4，其中，分布区域S2和S3具有对称性；分布区域S1、S2、S3和S4的抗磁电流分别为I_D1、I_D2、I_D3和I_D4，其中I_D1与I_D2、I_D3和I_D4的方向相反；同时，佳拉洁雅磁阱有三个约束线圈，其周围区域划分为S_b2、S_b3、S_b4，其对应的抗磁电流分别为I_Db2、I_Db3、I_Db4，其中，S_b2、S_b3具有对称性；因此，在佳拉洁雅磁阱中等离子体的总抗磁电流I_D＝I_D1-(I_D2-I_Db2)-(I_D3-I_Db3)-(I_D4-I_Db4)；

其特征在于，

抗磁电流测量模块(10)，包括电流传感器和数字积分器；电流传感器测量在佳拉洁雅磁阱的等离子体各分布区域S₁、S₂、S₄和各约束线圈周围区域S_b2、S_b3、S_b4的等离子体抗磁电流产生的感应电压信号；然后对电流传感器测量到的各感应电压信号进行采样和滤波处理，再经过数字积分器进行数字积分后，就分别计算出了在各分布区域S₁、S₂、S₄中的抗磁电流I_D1、I_D2、I_D4和在各约束线圈周围区域S_b2、S_b3、S_b4中的抗磁电流I_Db2、I_Db3和I_Db4，并发送给抗磁电流分布参数模块(20)；

抗磁电流分布参数模块(20)，接收来自于抗磁电流测量模块(10)的各分布区域的抗磁电流I_D1、I_D2、I_D4和各约束线圈周围区域的抗磁电流I_Db2、I_Db3和I_Db4，根据公式1，经过加减法计算，计算出在佳拉洁雅磁阱中等离子体的总抗磁电流I_D，并发送给分界面压强计算模块(40)；

其中，公式1是总抗磁电流表达式；

I_D＝I_D1-2I_D2-I_D4+2I_Db2+I_Db4 (公式1)；

磁场系数计算模块(30)，通过对在等离子体分布区域S1、S2、S4中所包含的每个磁面上的磁感应强度B(l)的倒数与磁面周长的乘积进行积分求和，根据公式3，来分别计算出在等离子体分布区域S1、S2、S4中的磁场系数数值K₁、K₂和K₄，并发送给分界面压强计算模块(40)；

其中，公式3是磁场系数表达式；

其中，n是分布区域S₁中所包含的闭合磁面数量；m是分布区域S₂中所包含的闭合磁面数量；k是分布区域S₄中所包含的闭合磁面数量；i是不小于零的整数；B(l)是各磁面上的磁感应强度；dl是两个相邻的磁面L_i和L_i+1的位形截面上的微元；

分界面压强计算模块(40)用于：根据总抗磁电流与分界面压强的数学模型，代入根据抗磁电流分布参数模块(20)得到的佳拉洁雅磁阱总抗磁电流I_D，以及，磁场系数计算模块(30)得到的在等离子体分布区域S1、S2、S4中的磁场系数数值K₁、K₂和K₄，来计算佳拉洁雅磁阱的等离子体分界面压强P₀，

其中，公式5是佳拉洁雅磁阱总抗磁电流与分界面压强的数学模型；

2.一种应用于如权利要求1所述的系统的计算佳拉洁雅磁阱中等离子体分界面压强的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A10：

电流传感器测量在佳拉洁雅磁阱的等离子体各分布区域S₁、S₂、S₄和各约束线圈周围区域S_b2、S_b3、S_b4的等离子体抗磁电流产生的感应电压信号；抗磁电流测量模块(10)对电流传感器测量到的各感应电压信号进行采样和滤波处理，经过数字积分器进行数字积分后，抗磁电流测量模块(10)就分别计算出了在各分布区域S₁、S₂、S₄中的抗磁电流I_D1、I_D2、I_D4和在各约束线圈周围区域S_b2、S_b3、S_b4中的抗磁电流I_Db2、I_Db3和I_Db4，并发送给抗磁电流分布参数模块(20)；

步骤A20：

抗磁电流分布参数模块(20)，接收来自于抗磁电流测量模块(10)的各分布区域的抗磁电流I_D1、I_D2、I_D4和各约束线圈周围区域的抗磁电流I_Db2、I_Db3和I_Db4，根据公式1，经过加减法计算，计算出在佳拉洁雅磁阱中等离子体的总抗磁电流I_D，并发送给分界面压强计算模块(40)；

其中，公式1是总抗磁电流表达式；

I_D＝I_D1-2I_D2-I_D4+2I_Db2+I_Db4 (公式1)；

步骤A30：

磁场系数计算模块(30)，通过对在等离子体分布区域S1、S2、S4中所包含的每个闭合磁面上的磁感应强度B(l)的倒数进行积分求和，根据公式3，来分别计算出在等离子体分布区域S1、S2、S4中的磁场系数数值K₁、K₂和K₄，并发送给分界面压强计算模块(40)；

其中，公式3是磁场系数表达式；

其中，n是分布区域S₁中所包含的闭合磁面数量；m是分布区域S₂中所包含的闭合磁面数量；k是分布区域S₄中所包含的闭合磁面数量；i是不小于零的整数；B(l)是各磁面上的磁感应强度；dl是两个相邻的磁面L_i和L_i+1的位形截面上的微元；

步骤A40：

分界面压强计算模块(40)，接收在步骤A20中抗磁电流分布参数模块(20)发送的总抗磁电流数值I_D，并且，接收在步骤A30中磁场系数计算模块(30)发送的磁场系数数值K₁、K₂和K₄，然后，根据公式5，即可计算并输出：佳拉洁雅磁阱的等离子体分界面压强P₀；

其中，公式5是佳拉洁雅磁阱总抗磁电流与分界面压强的数学模型；