CN109596245A - 佳拉洁雅磁阱中电子温度及等离子体密度测量方法及系统 - Google Patents

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杜丽萍
金显吉
孙福才
李中伟
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Abstract

本发明公开一种佳拉洁雅磁阱中电子温度及等离子体密度测量方法及系统，包括：Langmuir探针模块，包括多个以阵列形式排列的Langmuir探针，Langmuir探针的总个数和位置由佳拉洁雅磁阱中的等离子体分布状况、电子温度和等离子体密度的数量级以及磁场区域的空间位形决定；外围电路模块，与Langmuir探针模块连接，用于探测每一Langmuir探针中的电流信号及其两端的电压信号；信号选择模块，与外围电路模块连接，用于选择性接收Langmuir探针的电流信号和电压信号；信号采集模块，与信号选择模块连接；信号处理模块，与信号采集模块连接，用于根据Langmuir探针采集到的电流信号和电压信号得到Langmuir探针的特性曲线，进而计算各通道的电子温度和等离子体密度。本发明方便、快捷、准确、高效率、可靠性高。

Description

佳拉洁雅磁阱中电子温度及等离子体密度测量方法及系统
技术领域
本发明涉及等离子体参数测量领域，具体而言，涉及一种佳拉洁雅磁阱中电子温度及等离子体密度测量方法及系统。
背景技术
随着社会的进步，人们对化石能源的消耗也日益增多，化石能源储量有限且使用后会造成环境污染，所以寻找一种高效节能的替代能源成为当务之急。在新能源探索道路上，核能因其高效绿色的特性受到人们的青睐，相较于其他新能源，核能不受地域储量和其它自然条件的限制，更为重要的是，核能所蕴含的能量十分巨大。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。
在核聚变和核裂变这两种利用方式中，由于无法很好地解决核聚变过程中单核约束问题这一技术限制，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，取材更为方便且不产生放射性废料。
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。
由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，佳拉洁雅装置就是一种磁约束装置，为了更好的对佳拉洁雅装置进行研究，需要对磁阱的电子温度和等离子体密度进行测量。在此背景下，本发明提出了一种可靠、实时、准确测量磁阱中各个位置的电子温度和等离子体密度的装置。
发明内容
本发明提供一种佳拉洁雅磁阱中电子温度及等离子体密度测量方法及系统，用以测量佳拉洁雅磁阱中的电子温度及等离子体密度。
为达到上述目的，本发明提供了一种佳拉洁雅磁阱中电子温度及等离子体密度测量系统，其包括：
Langmuir探针模块，包括多个以阵列形式排列的Langmuir探针，Langmuir探针的总个数和位置由佳拉洁雅磁阱中的等离子体分布状况、电子温度和等离子体密度的数量级以及磁场区域的空间位形决定；
外围电路模块，与所述Langmuir探针模块连接，用于探测每一Langmuir探针中的电流信号及其两端的电压信号；
信号选择模块，与所述外围电路模块连接，用于选择性接收Langmuir探针的电流信号和电压信号；
信号采集模块，与所述信号选择模块连接；
信号处理模块，与所述信号采集模块连接，用于根据Langmuir探针采集到的电流信号和电压信号得到Langmuir探针的特性曲线，进而计算各通道的电子温度和等离子体密度，其中，
电子温度kTe的计算方式如下：
其中，e＝1.6021892×10-19C，V为Langmuir探针两端的电压值，I为Langmuir探针中的电流值，Vp为等离子体空间电位，Ie0为饱和电子电流，Vp和Ie0均由Langmuir探针的特性曲线得到；
等离子体密度的计算方式如下：
其中，ni、ne为离子、电子密度，Ap为暴露在等离子体中的Langmuir探针的表面积，me为电子质量，me＝9.1×10-31kg。
在本发明的一实施例中，Langmuir探针包括一陶瓷套管以及一套设于所述陶瓷套管内部的细陶瓷套管，所述陶瓷套管与所述细陶瓷套管之间填充有陶瓷粉，所述细陶瓷套管的两端分别连接耐高温线和钨丝。
在本发明的一实施例中，所述信号选择模块为FPGA。
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，于所述高速信号采集卡中进一步设定采样频率、采样周期、采样持续时间和采样窗口。
在本发明的一实施例中，佳拉洁雅磁阱中电子温度及等离子体密度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各通道的电子温度和等离子体密度，所述存储模块用于存储计算得到的各通道的电子温度和等离子体密度。
在本发明的一实施例中，等离子体枪电源控制脉冲宽度调节范围为400ns～102μs，调节步长为400ns；磁阱线圈电源控制脉冲宽度调节范围为400μs～40ms，调节步长为400μs，多极磁阱的工作时间为5-10ms。
在本发明的一实施例中，所述Langmuir探针模块中进一步包括一信号放大模块，所述信号处理模块进一步包括滤波模块。
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选择模块进行控制。
在本发明的一实施例中，多个Langmuir探针安装于两个外盲鳗之间以及内盲鳗和外盲鳗之间，位于同一直线上的Langmuir探针均匀分布。
本发明还提供了一种应用于上述系统中的佳拉洁雅磁阱中电子温度及等离子体密度测量方法，其包括以下步骤：
确定佳拉洁雅磁阱空间的等离子体分布状况及电子温度和等离子体密度的数量级；
根据等离子体分布状况、电子温度和等离子体密度的数量级以及磁场区域的空间位形，确定Langmuir探针的总个数和位置并对其进行安装；
在等离子体进入佳拉洁雅磁阱前，向Langmuir探针通入电流使其进入工作状态；
通过信号处理模块向信号选择模块发送选择信号，以选中对应的Langmuir探针；
信号采集模块将选中的Langmuir探针的电流信号和电压信号发送至信号处理模块，信号处理模块计算各通道的电子温度和等离子体密度。
本发明提供的佳拉洁雅磁阱中电子温度及等离子体密度测量方法及系统能够同时测量佳拉洁雅磁阱中多个位置的电子温度和等离子体密度，且测量手段方便、快捷、准确、高效率、可靠性高。
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磁阱中电子温度及等离子体密度测量系统的结构示意图；
图2为佳拉洁雅磁阱中Langmuir探针的安装示意图；
图3为Langmuir探针的结构示意图；
图4为外围电路模块与Langmuir探针模块之间的电路图；
图5为本发明中信号选择模块4采用FPGA实现时的一结构示意图。
附图标记说明：1-Langmuir探针模块；2-外围电路模块；3-信号选择模块；4-信号采集模块；5-信号处理模块；6-显示模块；7-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。
如图1所示为本发明提供的佳拉洁雅磁阱中电子温度及等离子体密度测量系统的结构示意图，其包括：
Langmuir探针模块1，包括多个以阵列形式排列的Langmuir探针，Langmuir探针的总个数和位置由佳拉洁雅磁阱中的等离子体分布状况、电子温度和等离子体密度的数量级以及磁场区域的空间位形决定；
如图2所示为佳拉洁雅磁阱中Langmuir探针的安装示意图，如图2所示，本实施例中的多个Langmuir探针安装于两个外盲鳗之间(z方向)以及内盲鳗和外盲鳗之间(r方向)，位于同一直线上的Langmuir探针均匀分布。本实施例中，电子温度为100eV数量级，等离子体密度为1019/m3数量级。
如图3所示为Langmuir探针的结构示意图，Langmuir探针包括一陶瓷套管以及一套设于陶瓷套管内部的细陶瓷套管，陶瓷套管与细陶瓷套管之间填充有陶瓷粉，细陶瓷套管的两端分别连接耐高温线和钨丝。
外围电路模块2，与Langmuir探针模块1连接，用于探测每一Langmuir探针中的电流信号及其两端的电压信号；
如图4所示为外围电路模块与Langmuir探针模块之间的电路图，此电路为现有技术，为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。
信号选择模块3，与外围电路模块2连接，用于选择性接收Langmuir探针的电流信号和电压信号；
信号采集模块4，与信号选择模块3连接，信号采集模块4例如可以为高速信号采集卡，于高速信号采集卡中可以进一步设定采样频率、采样周期、采样持续时间和采样窗口，以满足本发明对于数据采集的实际需要。
信号选择模块4可以采用FPGA实现，如图5所示为本发明中信号选择模块4采用FPGA实现时的一结构示意图，以阵列形式安装的Langmuir探针将电流信号和电压信号发送至FPGA器件内部的信号输入模块，由于FPGA具有接口多、拓展性强的优点，因此，输入FPGA的信号可以是多路的，对FPGA内核利用Verilog语言进行编程，将其定义为多路数据选择器，并定义好相应的引脚，上位机通过上位机接口控制模块与上位机实现实时通信，并通过参数控制模块控制CORTE内核实现相应的逻辑功能，实现数据选择，从输入的多路信号中根据需要灵活选择有限路(少于输入信号路数)并通过信号输出模块进行输出。利用FPGA的灵活性，定义的FPGA门电路可以实时进行数据选择，以方便快捷的采集佳拉洁雅装置磁阱中各个点的电子温度和等离子体密度。
信号处理模块5，与信号采集模块4连接，用于根据Langmuir探针采集到的电流信号和电压信号得到Langmuir探针的特性曲线，进而计算各通道的电子温度和等离子体密度，其中，
电子温度kTe的计算方式如下：
其中，e＝1.6021892×10-19C，V为Langmuir探针两端的电压值，I为Langmuir探针中的电流值(mA)，Vp为等离子体空间电位(V)，Ie0为饱和电子电流(A)，Vp和Ie0均由Langmuir探针的特性曲线得到；
等离子体密度的计算方式如下：
其中，ni、ne为离子、电子密度(cm-3)，Ap为暴露在等离子体中的Langmuir探针的表面积(cm2)，me为电子质量，me＝9.1×10-31kg。
其中，信号处理模块5的功能为本领域技术人员所熟知的现有技术，对其具体技术细节不予赘述。
信号处理模块5可以为一上位机并通过编程对信号选择模块5进行控制。
如图1所示，本发明中还可以包括进一步包括显示模块6及/或存储模块7，其中，显示模块6用于实时显示各通道的电子温度和等离子体密度，存储模块7用于存储计算得到的各通道的电子温度和等离子体密度。
对于本发明中的佳拉洁雅磁阱来说，等离子体枪电源控制脉冲宽度调节范围为400ns～102μs，调节步长为400ns；磁阱线圈电源控制脉冲宽度调节范围为400μs～40ms，调节步长为400μs，多极磁阱的工作时间为5-10ms。
本发明中的Langmuir探针模块1中可以进一步包括一信号放大模块，以将信号放大至信号选择模块4可以识别，信号处理模块5可以进一步包括滤波模块，以在对信号进行处理前过滤掉噪声和高频干扰。
本发明还提供了一种应用于图1中的佳拉洁雅磁阱中电子温度及等离子体密度测量方法，其包括以下步骤：
确定佳拉洁雅磁阱空间的等离子体分布状况及电子温度和等离子体密度的数量级；
根据等离子体分布状况、电子温度和等离子体密度的数量级以及磁场区域的空间位形，确定Langmuir探针的总个数和位置并对其进行安装；
在等离子体进入佳拉洁雅磁阱前，向Langmuir探针通入电流使其进入工作状态；
通过信号处理模块5向信号选择模块3发送选择信号，以选中对应的Langmuir探针；
信号采集模块4将选中的Langmuir探针的电流信号和电压信号发送至信号处理模块5，信号处理模块5计算各通道的电子温度和等离子体密度。
本发明提供的佳拉洁雅磁阱中电子温度及等离子体密度测量方法及系统能够同时测量佳拉洁雅磁阱中多个位置的电子温度和等离子体密度，能够节省硬件资源，且测量手段方便、快捷、准确、高效率、可靠性高。
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 (10)

1.一种佳拉洁雅磁阱中电子温度及等离子体密度测量系统，其特征在于，包括：
Langmuir探针模块，包括多个以阵列形式排列的Langmuir探针，Langmuir探针的总个数和位置由佳拉洁雅磁阱中的等离子体分布状况、电子温度和等离子体密度的数量级以及磁场区域的空间位形决定；
外围电路模块，与所述Langmuir探针模块连接，用于探测每一Langmuir探针中的电流信号及其两端的电压信号；
信号选择模块，与所述外围电路模块连接，用于选择性接收Langmuir探针的电流信号和电压信号；
信号采集模块，与所述信号选择模块连接；
信号处理模块，与所述信号采集模块连接，用于根据Langmuir探针采集到的电流信号和电压信号得到Langmuir探针的特性曲线，进而计算各通道的电子温度和等离子体密度，其中，
电子温度kTe的计算方式如下：
其中，e＝1.6021892×10-19C，V为Langmuir探针两端的电压值，I为Langmuir探针中的电流值，Vp为等离子体空间电位，Ie0为饱和电子电流，Vp和Ie0均由Langmuir探针的特性曲线得到；
等离子体密度的计算方式如下：
其中，ni、ne为离子、电子密度，Ap为暴露在等离子体中的Langmuir探针的表面积，me为电子质量，me＝9.1×10-31kg。
2.根据权利要求1所述的佳拉洁雅磁阱中电子温度及等离子体密度测量系统，其特征在于，Langmuir探针包括一陶瓷套管以及一套设于所述陶瓷套管内部的细陶瓷套管，所述陶瓷套管与所述细陶瓷套管之间填充有陶瓷粉，所述细陶瓷套管的两端分别连接耐高温线和钨丝。
3.根据权利要求1所述的佳拉洁雅磁阱中电子温度及等离子体密度测量系统，其特征在于，所述信号选择模块为FPGA。
4.根据权利要求1所述的佳拉洁雅磁阱中电子温度及等离子体密度测量系统，其特征在于，所述信号采集模块为高速信号采集卡，于所述高速信号采集卡中进一步设定采样频率、采样周期、采样持续时间和采样窗口。
5.根据权利要求1所述的佳拉洁雅磁阱中电子温度及等离子体密度测量系统，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各通道的电子温度和等离子体密度，所述存储模块用于存储计算得到的各通道的电子温度和等离子体密度。
6.根据权利要求1所述的佳拉洁雅磁阱中电子温度及等离子体密度测量系统，其特征在于，等离子体枪电源控制脉冲宽度调节范围为400ns～102μs，调节步长为400ns；磁阱线圈电源控制脉冲宽度调节范围为400μs～40ms，调节步长为400μs，多极磁阱的工作时间为5-10ms。
7.根据权利要求1所述的佳拉洁雅磁阱中电子温度及等离子体密度测量系统，其特征在于，所述Langmuir探针模块中进一步包括一信号放大模块，所述信号处理模块进一步包括滤波模块。
8.根据权利要求1所述的佳拉洁雅磁阱中电子温度及等离子体密度测量系统，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选择模块进行控制。
9.根据权利要求1所述的佳拉洁雅磁阱中电子温度及等离子体密度测量系统，其特征在于，多个Langmuir探针安装于两个外盲鳗之间以及内盲鳗和外盲鳗之间，位于同一直线上的Langmuir探针均匀分布。
10.一种应用于权利要求1-9中任一项所述系统中的佳拉洁雅磁阱中电子温度及等离子体密度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定佳拉洁雅磁阱空间的等离子体分布状况及电子温度和等离子体密度的数量级；
根据等离子体分布状况、电子温度和等离子体密度的数量级以及磁场区域的空间位形，确定Langmuir探针的总个数和位置并对其进行安装；
在等离子体进入佳拉洁雅磁阱前，向Langmuir探针通入电流使其进入工作状态；
通过信号处理模块向信号选择模块发送选择信号，以选中对应的Langmuir探针；
信号采集模块将选中的Langmuir探针的电流信号和电压信号发送至信号处理模块，信号处理模块计算各通道的电子温度和等离子体密度。
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