CN113066590A - 一种等离子体诊断用三台阶式复合马赫探针 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种等离子体诊断用三台阶式复合马赫探针，应用于托卡马克磁约束核聚变实验装置上，包括呈三个台阶阵列分布的多个双探针对、悬浮电位探针和马赫探针对；采用本方案，基于朗缪尔探针测量原理，通过合理布置探针阵列，可同时测量等离子体同一位置的环向和极向马赫数以及等离子体温度及其梯度、密度及其梯度、径向电场和极向电场等参数，极大的降低了核聚变实验装置上的测量时间，安全性能显著提高，同时也可实现对同一个小尺度高频瞬态扰动参数的测量。

Description

一种等离子体诊断用三台阶式复合马赫探针
技术领域
本发明涉及托卡马克磁约束核聚变实验装置边界等离子电磁诊断技术领域，具体涉及一种等离子体诊断用三台阶式复合马赫探针。
背景技术
对于磁约束聚变装置，一个最关键的问题是如何降低粒子输运和热输运，提高等离子体的约束性能，从而实现对高温(～10keV)、高密度(>1014cm-3)等离子体的长时间(≥100 秒)的稳定约束。目前的研究表明，等离子体中的微观随机扰动——湍流引起的输运对磁约束聚变的约束性能有着决定性的影响。它的存在使得等离子体粒子输运和热输运水平远远高于新经典输运理论的预期，是导致约束水平难以提升的主要原因。因此对湍流输运的物理研究是磁约束核聚变的主要研究课题之一。
由于目前磁约束聚变装置体型和参数的限制，等离子体动力压强与磁压强之比，即比压较小，湍流输运的特征主要由静电效应决定，对湍流的测量和研究也主要集中在静电测量上。但在未来的国际热核聚变实验堆(ITER)中，随着比压值得增加，湍流的磁效应对输运的影响将越来越重要。因此对湍流电磁复合特性的测量将是未来研究湍流输运的基本手段。
目前对磁约束聚变装置中湍流电磁特性的测量大多是分别对静电特征和磁特征独立进行测量的，而在静电测量上采用典型的朗缪尔静电探针。
虽然这些探针能够测量等离子体中的静电特征和磁特征，但是目前的使用的复合探针或者只能测量单一的静电特征或磁特征，或对静电测量和磁测量不在相同的空间位置，它们都无法同时全面测量等离子体同一位置电磁特性。
托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈，在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，通过磁场的约束和其他加热手段将等离子体加热到很高的温度并维持必要的时间，以达到实现核聚变的目的。但在对托卡马克边界磁场和等离子体参数的测量过程中，由于其存在超高温度，对环向和极向马赫数以及等离子体温度及其梯度、密度及其梯度、径向电场和极向电场等参数的一一测量过程，极大的增加了在核聚变实验装置上的测量时间，风险较大。且由于托卡马克边界参数存在小尺度的高频瞬态扰动，对上述参数的一一测量无法实现同一个小尺度高频瞬态扰动参数的测量。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种等离子体诊断用三台阶式复合马赫探针，采用本方案，基于朗缪尔探针测量原理，通过合理布置探针阵列，可同时测量等离子体同一位置的环向和极向马赫数以及等离子体温度及其梯度、密度及其梯度、径向电场和极向电场等参数，极大的降低了核聚变实验装置上的测量时间，安全性能显著提高，同时也可实现对同一个小尺度高频瞬态扰动参数的测量。
本发明采用的技术方案为：一种等离子体诊断用三台阶式复合马赫探针，应用于托卡马克磁约束核聚变实验装置上，包括呈三个台阶阵列分布的多个双探针对、悬浮电位探针和马赫探针对；所述三个台阶包括依次排列的第一台阶、第二台阶和第三台阶；
第一台阶包括一对沿磁场极向分布的第一台阶双探针对和一根第一台阶悬浮电位探针，所述第一台阶悬浮电位探针位于极向分布的第一台阶双探针对之间；
第二台阶包括一对沿磁场极向分布的第二台阶极向马赫探针对、一对沿磁场环向分布的第二台阶环向马赫探针对和两根沿磁场极向分布的第二台阶悬浮电位探针；
第三台阶包括一对沿磁场极向分布的第三台阶双探针对和一根第三台阶悬浮电位探针，所述一根第三台阶悬浮电位探针位于第二台阶极向马赫探针对之间，所述第二台阶环向马赫探针对中的一根马赫探针位于第三台阶双探针对之间。
本方案具体运作时，其中马赫探针对：通过在探针上加载恒定的对地负偏压，使探针表明形成离子鞘层，排斥电子而接收离子。当偏压足够高时探针电流饱和，此电流为饱和离子流Isi。一对沿托卡马克环向布置分别只面向上游和下游的探针构成环向马赫探针对，分别测量面向上游和下游的饱和离子流：Isi上游和Isi下游，利用二者比值可用于测量环向马赫数。
悬浮电位探针：探针悬浮置于等离子中，其对地电位为悬浮电位Vf。
双探针对：在两根探针间加载恒定偏压，使一根探针处于离子饱和区，另一根处于过度区，测量此时两探针的对地电压分别为V+和V-，并也可测量等离子体饱和离子流Isi。
根据探针原理，结合探针有效测量面积S,采样电阻R，离子声速Cs，等离子体与静电相关的参数可计算如下：电子温度：Te＝(V+-Vf)/ln2；密度
Figure RE-GDA0003063884210000021
等离子体电位Vp＝Vf+2.8Te；等离子体环向马赫数Isi上游/Isi下游。等离子体电位Vp＝Vf+2.8Te，以及通过电位在径向和极向的梯度计算得到的极向电场和径向电场。
本方案中设有多个双探针对、悬浮电位探针和马赫探针对，多个双探针对、悬浮电位探针和马赫探针对分三个连续台阶阵列分布，在第一台阶上设有一对沿磁场极向分布的第一台阶双探针对和一根第一台阶悬浮电位探针，第一台阶悬浮电位探针位于极向分布的第一台阶双探针对之间；在第二台阶上设有一对沿磁场极向分布的第二台阶极向马赫探针对、一对沿磁场环向分布的第二台阶环向马赫探针对和两根沿磁场极向分布的第二台阶悬浮电位探针；在第三台阶上设有一对沿磁场极向分布的第三台阶双探针对和一根第三台阶悬浮电位探针，一根第三台阶悬浮电位探针位于第二台阶极向马赫探针对之间，第二台阶环向马赫探针对中的一根马赫探针位于第三台阶双探针对之间；
其中第一台阶探针和第三台阶探针均可测量等离子体密度、温度、空间电位；结合第一台阶探针和第三台阶探针可测量等离子体密度梯度、温度梯度、径向电场；第二台阶探针可测量等离子体环向马赫数、极向马赫数以及极向电场；上述测量到的等离子体密度梯度、温度梯度、径向电场、极向电场、环向马赫数、极向马赫数的均位于同一点，所得数据无相位差。
进一步优化，所述第一台阶双探针对、第一台阶悬浮电位探针、第二台阶极向马赫探针对、第二台阶环向马赫探针对、第二台阶悬浮电位探针、第三台阶双探针对和第三台阶悬浮电位探针的尺寸均相同，即所有探针的外形尺寸和结构相同。
进一步优化，所述第一台阶、第二台阶和第三台阶的高度依次增高。
进一步优化，所述第一台阶、第二台阶和第三台阶的相邻台阶高度差为2～3mm。
进一步优化，还包括石墨护套，所述石墨护套端部带有和三个台阶相匹配的阶梯凸起，所述阶梯凸起上带有阵列分布的多个针位孔，所有探针均穿插于针位孔中；即第一台阶双探针对、第一台阶悬浮电位探针、第二台阶极向马赫探针对、第二台阶环向马赫探针对、第二台阶悬浮电位探针、第三台阶双探针对和第三台阶悬浮电位探针均穿插于针位孔中，石墨护套用于屏蔽外界等离子体。
进一步优化，所有探针的针头均位于石墨护套端部外侧，即第一台阶双探针对、第一台阶悬浮电位探针、第二台阶极向马赫探针对、第二台阶环向马赫探针对、第二台阶悬浮电位探针、第三台阶双探针对和第三台阶悬浮电位探针的针头均位于石墨护套端部外侧。
进一步优化，还包括不锈钢支撑体，所述不锈钢支撑体和石墨护套侧面连接。
本发明具有以下有益效果：
本方案提供了一种等离子体诊断用三台阶式复合马赫探针，采用本方案，基于朗缪尔探针测量原理，通过合理布置探针阵列，可同时测量等离子体同一位置的环向和极向马赫数以及等离子体温度及其梯度、密度及其梯度、径向电场和极向电场等参数，极大的降低了核聚变实验装置上的测量时间，安全性能显著提高，同时也可实现对同一个小尺度高频瞬态扰动参数的测量。
附图说明
图1为本发明提供的一种等离子体诊断用三台阶式复合马赫探针的结构示意图。
图中附图标记为：1-第一台阶双探针对，2-第一台阶悬浮电位探针，3-第二台阶极向马赫探针对，4-第二台阶环向马赫探针对，5-第二台阶悬浮电位探针，6-第三台阶双探针对，7-第三台阶悬浮电位探针，13-石墨护套，14-不锈钢支撑体。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例：如图1所示，一种等离子体诊断用三台阶式复合马赫探针，应用于托卡马克磁约束核聚变实验装置上，包括呈三个台阶阵列分布的多个双探针对、悬浮电位探针和马赫探针对；所述三个台阶包括依次排列的第一台阶、第二台阶和第三台阶；
第一台阶包括一对沿磁场极向分布的第一台阶双探针对1和一根第一台阶悬浮电位探针 2，所述第一台阶悬浮电位探针2位于极向分布的第一台阶双探针对1之间；
第二台阶包括一对沿磁场极向分布的第二台阶极向马赫探针对3、一对沿磁场环向分布的第二台阶环向马赫探针对4和两根沿磁场极向分布的第二台阶悬浮电位探针5；
第三台阶包括一对沿磁场极向分布的第三台阶双探针对6和一根第三台阶悬浮电位探针 7，所述一根第三台阶悬浮电位探针7位于第二台阶极向马赫探针对3之间，所述第二台阶环向马赫探针对4中的一根马赫探针位于第三台阶双探针对6之间。
其中马赫探针对：通过在探针上加载恒定的对地负偏压，使探针表明形成离子鞘层，排斥电子而接收离子。当偏压足够高时探针电流饱和，此电流为饱和离子流Isi。一对沿托卡马克环向布置分别只面向上游和下游的探针构成环向马赫探针对，分别测量面向上游和下游的饱和离子流：Isi上游和Isi下游，利用二者比值可用于测量环向马赫数。
悬浮电位探针：探针悬浮置于等离子中，其对地电位为悬浮电位Vf。
双探针对：在两根探针间加载恒定偏压，使一根探针处于离子饱和区，另一根处于过度区，测量此时两探针的对地电压分别为V+和V-，并也可测量等离子体饱和离子流Isi。
根据探针原理，结合探针有效测量面积S,采样电阻R，离子声速Cs，等离子体与静电相关的参数可计算如下：电子温度：Te＝(V+-Vf)/ln2；密度
Figure RE-GDA0003063884210000041
等离子体电位 Vp＝Vf+2.8Te；等离子体环向马赫数Isi上游/Isi下游。等离子体电位Vp＝Vf+2.8Te，以及通过电位在径向和极向的梯度计算得到的极向电场和径向电场。
本实施例中设有多个双探针对、悬浮电位探针和马赫探针对，多个双探针对、悬浮电位探针和马赫探针对分三个连续台阶阵列分布，在第一台阶上设有一对沿磁场极向分布的第一台阶双探针对1和一根第一台阶悬浮电位探针2，第一台阶悬浮电位探针2位于极向分布的第一台阶双探针对1之间；在第二台阶上设有一对沿磁场极向分布的第二台阶极向马赫探针对3、一对沿磁场环向分布的第二台阶环向马赫探针对4和两根沿磁场极向分布的第二台阶悬浮电位探针5；在第三台阶上设有一对沿磁场极向分布的第三台阶双探针对6和一根第三台阶悬浮电位探针7，一根第三台阶悬浮电位探针7位于第二台阶极向马赫探针对3之间，第二台阶环向马赫探针对4中的一根马赫探针位于第三台阶双探针对6之间；
其中第一台阶探针和第三台阶探针均可测量等离子体密度、温度、空间电位；结合第一台阶探针和第三台阶探针可测量等离子体密度梯度、温度梯度、径向电场；第二台阶探针可测量等离子体环向马赫数、极向马赫数以及极向电场；上述测量到的等离子体密度梯度、温度梯度、径向电场、极向电场、环向马赫数、极向马赫数的均位于同一点，所得数据无相位差。
本实施例中，所述第一台阶双探针对1、第一台阶悬浮电位探针2、第二台阶极向马赫探针对3、第二台阶环向马赫探针对4、第二台阶悬浮电位探针5、第三台阶双探针对6和第三台阶悬浮电位探针7的尺寸均相同，即所有探针的外形尺寸和结构相同，其探针的顶端针头直径2mm～4mm，长3mm～10mm；中部直径3mm～6mm，长5mm～10mm；底部直径2mm～4mm，长2mm～5mm。
本实施例中，所述第一台阶、第二台阶和第三台阶的高度依次增高。
本实施例中，所述第一台阶、第二台阶和第三台阶的相邻台阶高度差为2～3mm。
本实施例中，还包括石墨护套13，所述石墨护套13端部带有和三个台阶相匹配的阶梯凸起，所述阶梯凸起上带有阵列分布的多个针位孔，所有探针均穿插于针位孔中；即第一台阶双探针对1、第一台阶悬浮电位探针2、第二台阶极向马赫探针对3、第二台阶环向马赫探针对4、第二台阶悬浮电位探针5、第三台阶双探针对6和第三台阶悬浮电位探针7均穿插于针位孔中，石墨护套13用于屏蔽外界等离子体；其中石墨护套13前端呈三台阶结构，相邻台阶高度差2～3mm，并对应探针分布有3×4个针位孔。
本实施例中，所有探针的针头均位于石墨护套13端部外侧，即第一台阶双探针对1、第一台阶悬浮电位探针2、第二台阶极向马赫探针对3、第二台阶环向马赫探针对4、第二台阶悬浮电位探针5、第三台阶双探针对6和第三台阶悬浮电位探针7的针头均位于石墨护套13 端部外侧。
本实施例中，还包括不锈钢支撑体14，所述不锈钢支撑体14和石墨护套13侧面连接。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种等离子体诊断用三台阶式复合马赫探针，其特征在于，应用于托卡马克磁约束核聚变实验装置上，包括呈三个台阶阵列分布的多个双探针对、悬浮电位探针和马赫探针对；
所述三个台阶包括依次排列的第一台阶、第二台阶和第三台阶；
第一台阶包括一对沿磁场极向分布的第一台阶双探针对(1)和一根第一台阶悬浮电位探针(2)，所述第一台阶悬浮电位探针(2)位于极向分布的第一台阶双探针对(1)之间；
第二台阶包括一对沿磁场极向分布的第二台阶极向马赫探针对(3)、一对沿磁场环向分布的第二台阶环向马赫探针对(4)和两根沿磁场极向分布的第二台阶悬浮电位探针(5)；
第三台阶包括一对沿磁场极向分布的第三台阶双探针对(6)和一根第三台阶悬浮电位探针(7)，所述一根第三台阶悬浮电位探针(7)位于第二台阶极向马赫探针对(3)之间，所述第二台阶环向马赫探针对(4)中的一根马赫探针位于第三台阶双探针对(6)之间。
2.根据权利要求1所述的一种等离子体诊断用三台阶式复合马赫探针，其特征在于，所述第一台阶双探针对(1)、第一台阶悬浮电位探针(2)、第二台阶极向马赫探针对(3)、第二台阶环向马赫探针对(4)、第二台阶悬浮电位探针(5)、第三台阶双探针对(6)和第三台阶悬浮电位探针(7)的尺寸均相同。
3.根据权利要求1所述的一种等离子体诊断用三台阶式复合马赫探针，其特征在于，所述第一台阶、第二台阶和第三台阶的高度依次增高。
4.根据权利要求3所述的一种等离子体诊断用三台阶式复合马赫探针，其特征在于，所述第一台阶、第二台阶和第三台阶的相邻台阶高度差为2～3mm。
5.根据权利要求1所述的一种等离子体诊断用三台阶式复合马赫探针，其特征在于，还包括石墨护套(13)，所述石墨护套(13)端部带有和三个台阶相匹配的阶梯凸起，所述阶梯凸起上带有阵列分布的多个针位孔，所有探针均穿插于针位孔中。
6.根据权利要求5所述的一种等离子体诊断用三台阶式复合马赫探针，其特征在于，所有探针的针头均位于石墨护套(13)端部外侧。
7.根据权利要求5所述的一种等离子体诊断用三台阶式复合马赫探针，其特征在于，还包括不锈钢支撑体(14)，所述不锈钢支撑体(14)和石墨护套(13)侧面连接。
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