CN109541504B - 一种佳拉洁雅装置等离子体通道中的磁场测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种佳拉洁雅装置等离子体通道中的磁场测量系统及方法，该磁场测量系统包括：磁探针模块，包括多个磁探针，多个磁探针均匀安装于等离子通道中，磁探针的总个数、位置和规格尺寸由等离子通道的规格、等离子体分布状况以及磁场区域的空间位形决定；信号采集模块，包括一调理电路以及一数据采集电路，多个磁探针分别通过调理电路与数据采集电路连接，以采集多个磁探针两端的电压信号；信号处理模块，用于对采集到的多个磁探针两端的电压信号进行处理，以计算出等离子通道中各处的磁感应强度。本发明可实时准确的测量佳拉洁雅装置中的等离子体进入等离子体通道过程中，通道内各点的磁感应强度变化情况，具有测量可靠、实时、准确的优点。

Description

一种佳拉洁雅装置等离子体通道中的磁场测量系统及方法

技术领域

本发明涉及等离子体参数测量领域，具体而言，涉及一种佳拉洁雅装置等离子体通道中的磁场测量系统及方法。

背景技术

第二次工业革命以来，生产力水平显著提高，对化石能源的消耗也日益增多。传统能源不仅造成了严重的环境污染，更是面临着枯竭的危机，所以寻找一种高效节能的替代能源成为当务之急。在对新能源探索的道路上，核能作为一种高效而绿色的能源受到了人们的青睐。相较于潮汐能、风能亦或是太阳能，核能不受地域储量和其它自然条件的限制，更为重要的是，核能所蕴含的能量之巨大足以满足未来千百年甚至千秋万世所需。不夸张的说，只要能开发好核能，人类都不用为未来的能源发愁。

当前核能主要有核聚变和核裂变这两种利用方式，而由于技术限制，即无法很好地解决核约束问题，目前投入运行的核电站都采用核裂变发电，然而核裂变会产生具有高放射性的废料，如果发生事故，会造成灾难性的后果。不仅如此，用于核裂变的原料铀235提取成本高，增加了核能发电的成本。而核聚变不但蕴含有远高于裂变的能量，更有不产生放射性废料的优点。

经过半个世纪的研究，用惯性或磁场对等离子进行约束卓有成效。惯性约束用蕴含巨大能量的激光以极其迅速的方式照射氘氚原子核进行聚变。而磁约束顾名思义，就是在磁场中加热氘氚并对等离子体进行约束。经过不懈的努力，磁约束装置已经有了长足进步。

鉴于核聚变反应的巨大优势，许多国家都在进行磁约束装置的研发，佳拉洁雅装置就是其中的一种。为了更好的对佳拉洁雅装置进行研究，需要对佳拉洁雅装置磁阱和等离子体通道中的磁感应强度进行测量。但在使用磁探针对磁场进行测量的过程中，往往只能测得有限点的磁感应强度值。

发明内容

本发明提供一种佳拉洁雅装置等离子体通道中的磁场测量系统及方法，用以测量佳拉洁雅磁阱中的磁场强度。

为达到上述目的，本发明提供了一种佳拉洁雅装置等离子体通道中的磁场测量系统，其包括：

磁探针模块，包括多个磁探针，多个磁探针均匀安装于等离子通道中，磁探针的总个数、位置和规格尺寸由等离子通道的规格、等离子体分布状况以及磁场区域的空间位形决定；

信号采集模块，包括一调理电路以及一数据采集电路，多个磁探针分别通过调理电路与数据采集电路连接，以采集多个磁探针两端的电压信号；

信号处理模块，用于对采集到的多个磁探针两端的电压信号进行处理，以计算出等离子通道中各处的磁感应强度。

在本发明的一实施例中，所述数据采集电路为模拟数据采集卡。

在本发明的一实施例中，多个磁探针均匀分布于等离子通道中线圈靠近内半径的一侧，并且避开等离子通道中线圈边缘处磁感应强度非匀强的区域。

在本发明的一实施例中，佳拉洁雅装置等离子体通道中的磁场测量系统还包括显示模块及/或存储模块，其中，所述显示模块用于实时显示等离子通道中各处的磁感应强度数值，所述存储模块用于存储等离子通道中各处的磁感应强度数值。

在本发明的一实施例中，信号处理模块计算等离子通道中各处的磁感应强度的步骤如下：

建立佳拉洁雅装置等离子体通道仿真模型，对仿真模型进行求解，计算该仿真模型中各处的磁感应强度数值；

信号处理模块对采集到的多个磁探针两端的电压信号进行处理，得到实际测量的多个磁探针处的磁感应强度数值；

将仿真模型中各处的磁感应强度数值与实际测量的多个磁探针处的磁感应强度数值通过线性插值方法进行拟合，计算出等离子通道中各处的磁感应强度。

在本发明的一实施例中，等离子体通道中电源控制脉冲宽度调节范围40μs～5ms，调节步长为40μs。

在本发明的一实施例中，所述信号采集模块为高速信号采集卡并且采集频率大于2kHz、电压采集范围介于-5V～+5V之间以及分辨率高于12位。

在本发明的一实施例中，所述信号处理模块为一上位机并通过编程对所述信号采集模块进行控制。

在本发明的一实施例中，调理电路与数据采集电路之间的连接方式为差分连接方式。

本发明还提供了一种应用于上述系统中的佳拉洁雅装置等离子体通道中的磁场测量方法，其包括以下步骤：

确定佳拉洁雅等离子体通道中等离子体分布状况以及磁感应强度的数量级；

根据等离子体分布状况以及磁感应强度的数量级，确定磁探针的总个数、位置和规格尺寸并对其进行安装；

向佳拉洁雅装置供电并由时序控制系统控制磁探针工作；

通过信号采集模块采集多个磁探针两端的电压信号并将其发送至信号处理模块；

信号处理模块对采集到的多个磁探针两端的电压信号进行处理，计算出等离子通道中各处的磁感应强度。

本发明提供的佳拉洁雅装置等离子体通道中的磁场测量系统及方法可实时准确的测量佳拉洁雅装置中的等离子体进入等离子体通道过程中，通道内各点的磁感应强度变化情况，具有测量可靠、实时、准确的优点。与传统方法只能测量探针处的磁感应强度相比，本发明实现了利用有限个磁探针测量通道中各点的磁感应强度值，扩大了测量范围，并保证了较高的精度，可以更加方便快捷的对等离子体通道中的磁感应强度进行测量，使用多个磁探针进行测量提高了测量效率，有较好的人机交互界面，方便对数据进行存储和处理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的佳拉洁雅装置等离子体通道中的磁场测量系统的结构示意图；

图2为本发明中的调理电路与多个磁探针的电路图。

附图标记说明：1-磁探针模块；11-磁探针；2-信号采集模块；21-调理电路；22-数据采集电路；3-信号处理模块；4-显示模块；5-存储模块；。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本案发明人利用有限元分析软件建立佳拉洁雅装置等离子体通道模型，分析得到等离子体通道内部近似为匀强磁场，由于等离子体鞘层的影响，只在等离子通道中线圈附近区域磁感应强度变强，受磁压影响，等离子体主要分布于匀强磁场区域。等离子体通道中轴线上磁场的磁感应强度为0.034T，整个离子体通道中的磁探针测量范围应为0.01-0.05T。

图1为本发明提供的佳拉洁雅装置等离子体通道中的磁场测量系统的结构示意图，如图1所示，本发明提供的佳拉洁雅装置等离子体通道中的磁场测量系统包括：

磁探针模块1，包括多个磁探针11，多个磁探针11均匀安装于等离子通道中，磁探针的总个数、位置和规格尺寸由等离子通道的规格、等离子体分布状况以及磁场区域的空间位形决定，本发明中的磁探针由匝数为N、横截面面积为S的线圈构成；

信号采集模块2，包括一调理电路21以及一数据采集电路22，多个磁探针11分别通过调理电路21与数据采集电路22连接，以采集多个磁探针11两端的电压信号，数据采集电路22例如可以为模拟数据采集卡，调理电路21与数据采集电路22之间的连接方式可以为差分连接方式。

信号采集模块2还可以为高速信号采集卡并且采集频率大于2kHz、电压采集范围介于-5V～+5V之间以及分辨率高于12位。

如图2所示为本发明中的调理电路21与多个磁探针11的电路图，图2下方为调理电路，图2上方绘示的等离子体表示等离子体所在区域，仅为示意，当等离子体通过磁探针时引起周围磁场的变化，磁探针感应到磁场变化产生感应电动势，在图2所示电路中产生感应电流，图2中的分压电阻用于限定采集的电压信号的幅值，数据采集电路22采集分压电阻两端的电压信号(图2中的

)。

利用磁探针计算佳拉洁雅装置等离子体通道中的磁场强度的原理如下：

当等离子体通过磁探针时，磁探针11中的线圈产生感应电动势ε，其数值为：

其中，B为磁探针位于的磁场的磁感应强度在轴向这一侧的值；S_eff＝NS+ΔS，N为线圈的匝数，S为线圈横截面的面积，ΔS是线圈周围附加的线头和引出的线头的面积。

对感应电动势ε积分得到磁探针的输出电压V(t)，公式如下：

R为图2中的分压电阻的电阻值，C为磁探针中线圈的分布电容。

磁探针输出电压V(t)与探针安装位置的磁感应强度B(t)成正比，磁感应强度计算公式如下：

对于具有N匝线圈的磁探针，设其总磁通量为Φ，N匝线圈每一匝的磁通分别为φ1、φ2、φ3……φn。为方便计算，假设每圈磁通量相等且为φ，即有Φ＝φ1+φ2+…φn＝Nφ，则感应电动势：

为了使调理电路测得的电压值不至于过大而超出量程同时又不至于过小而影响精度，应根据磁感应强度的变化率合理选择线圈匝数N和其横截面积S，使其感应电动势的变化范围在0V-5V。

信号处理模块3，用于对采集到的多个磁探针11两端的电压信号进行处理，以计算出等离子通道中各处的磁感应强度；

其中，信号处理模块3计算等离子通道中各处的磁感应强度的步骤如下：

建立佳拉洁雅装置等离子体通道仿真模型(例如可以在有限元软件中建模)，对仿真模型进行求解，计算该仿真模型中各处的磁感应强度数值；

信号处理模块对采集到的多个磁探针两端的电压信号进行处理，得到实际测量的多个磁探针处的磁感应强度数值；

将仿真模型中各处的磁感应强度数值与实际测量的多个磁探针处的磁感应强度数值通过线性插值方法进行拟合，计算出等离子通道中各处的磁感应强度。

线性插值法拟合的步骤简述如下：

以其中任意两个磁探针a和磁探针b为例，对于磁探针a和磁探针b之间的点，令磁探针a处的磁感应强度与仿真结果相同，记为B1，测量磁探针b处磁感应强度值B2，计算出在磁探针b处仿真模型求得的磁感应强度与实际磁感应强度的差值ΔB；

将磁探针a和磁探针b之间的距离记为d，对d进行n+1等分，这n个等分点所在的位置依次记为d₁，d₂，……d_n；

设d_n点的磁感应强度为B_n，则可对其进行线性插值得到这一点磁感应强度的值:

其他点处的磁感应强度亦可以按照以上步骤进行计算，即可得到佳拉洁雅装置等离子体通道中各点的磁感应强度值。

由于磁感应强度的误差与两个磁探针之间距离的二次方成正比，故增加磁探针数量可以减少误差。

如图1所示，本发明提供的佳拉洁雅装置等离子体通道中的磁场测量系统还包括显示模块4及/或存储模块5，其中，显示模块4用于实时显示等离子通道中各处的磁感应强度数值，存储模块5用于存储等离子通道中各处的磁感应强度数值。

于本发明中，多个磁探针较佳为均匀分布于等离子通道中线圈靠近内半径的一侧，并且避开等离子通道中线圈边缘处磁感应强度非匀强的区域。

为了便于对数据进行处理，本发明中的信号处理模块3较佳为一上位机并通过编程对信号采集模块进行控制。

本发明还提供了一种应用于上述系统中的佳拉洁雅装置等离子体通道中的磁场测量方法，其包括以下步骤：

确定佳拉洁雅等离子体通道中等离子体分布状况以及磁感应强度的数量级；

根据等离子体分布状况以及磁感应强度的数量级，确定磁探针的总个数、位置和规格尺寸并对其进行安装；

向佳拉洁雅装置供电并由时序控制系统控制磁探针工作；

通过信号采集模块采集多个磁探针两端的电压信号并将其发送至信号处理模块；

信号处理模块对采集到的多个磁探针两端的电压信号进行处理，计算出等离子通道中各处的磁感应强度。

本发明提供的佳拉洁雅装置等离子体通道中的磁场测量系统及方法可实时准确的测量佳拉洁雅装置中的等离子体进入等离子体通道过程中，通道内各点的磁感应强度变化情况，具有测量可靠、实时、准确的优点。与传统方法只能测量探针处的磁感应强度相比，本发明实现了利用有限个磁探针测量通道中各点的磁感应强度值，扩大了测量范围，并保证了较高的精度，可以更加方便快捷的对等离子体通道中的磁感应强度进行测量，使用多个磁探针进行测量提高了测量效率，有较好的人机交互界面，方便对数据进行存储和处理。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种佳拉洁雅装置等离子体通道中的磁场测量系统，其特征在于，包括：

磁探针模块，包括多个磁探针，多个磁探针均匀安装于等离子通道中，磁探针的总个数、位置和规格尺寸由等离子通道的规格、等离子体分布状况以及磁场区域的空间位形决定；

信号采集模块，包括一调理电路以及一数据采集电路，多个磁探针分别通过调理电路与数据采集电路连接，以采集多个磁探针两端的电压信号；

信号处理模块，用于对采集到的多个磁探针两端的电压信号进行处理，以计算出等离子通道中各处的磁感应强度，

其中，信号处理模块计算等离子通道中各处的磁感应强度的步骤如下：

建立佳拉洁雅装置等离子体通道仿真模型，对仿真模型进行求解，计算该仿真模型中各处的磁感应强度数值；

信号处理模块对采集到的多个磁探针两端的电压信号进行处理，得到实际测量的多个磁探针处的磁感应强度数值；

将仿真模型中各处的磁感应强度数值与实际测量的多个磁探针处的磁感应强度数值通过线性插值方法进行拟合，计算出等离子通道中各处的磁感应强度。

2.根据权利要求1所述的佳拉洁雅装置等离子体通道中的磁场测量系统，其特征在于，所述数据采集电路为模拟数据采集卡。

3.根据权利要求1所述的佳拉洁雅装置等离子体通道中的磁场测量系统，其特征在于，多个磁探针均匀分布于等离子通道中线圈靠近内半径的一侧，并且避开等离子通道中线圈边缘处磁感应强度非匀强的区域。

4.根据权利要求1所述的佳拉洁雅装置等离子体通道中的磁场测量系统，其特征在于，还包括显示模块及/或存储模块，其中，所述显示模块用于实时显示等离子通道中各处的磁感应强度数值，所述存储模块用于存储等离子通道中各处的磁感应强度数值。

5.根据权利要求1所述的佳拉洁雅装置等离子体通道中的磁场测量系统，其特征在于，等离子体通道中电源控制脉冲宽度调节范围40μs～5ms，调节步长为40μs。

6.根据权利要求1所述的佳拉洁雅装置等离子体通道中的磁场测量系统，其特征在于，所述信号采集模块为高速信号采集卡并且采集频率大于2kHz、电压采集范围介于-5V～+5V之间以及分辨率高于12位。

7.根据权利要求1所述的佳拉洁雅装置等离子体通道中的磁场测量系统，其特征在于，所述信号处理模块为一上位机并通过编程对所述信号采集模块进行控制。

8.根据权利要求1所述的佳拉洁雅装置等离子体通道中的磁场测量系统，其特征在于，调理电路与数据采集电路之间的连接方式为差分连接方式。

9.一种应用于权利要求1-8中任一项所述系统中的佳拉洁雅装置等离子体通道中的磁场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定佳拉洁雅等离子体通道中等离子体分布状况以及磁感应强度的数量级；

根据等离子体分布状况以及磁感应强度的数量级，确定磁探针的总个数、位置和规格尺寸并对其进行安装；

向佳拉洁雅装置供电并由时序控制系统控制磁探针工作；

通过信号采集模块采集多个磁探针两端的电压信号并将其发送至信号处理模块；

信号处理模块对采集到的多个磁探针两端的电压信号进行处理，计算出等离子通道中各处的磁感应强度。

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