CN113156172B - 一种多台阶式静电探针探头 - Google Patents

一种多台阶式静电探针探头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多台阶式静电探针探头，一种多台阶式静电探针探头，包括石墨护套、第一双探针、第二双探针、第一悬浮电位探针、第二悬浮电位探针、第三悬浮电位探针、第四悬浮电位探针、第五悬浮电位探针、第一马赫探针和第二马赫探针；本发明将上述9个探针分别布置在径向第一台阶面、径向第二台阶面和径向第三台阶面上。本发明不仅能够测量常见三探针和四探针能测量的物理量以及径向电场中的三项，还能测量湍流的径向的多尺度结构和极向的多尺度结构，且具有针头数量少、尺寸小的优点。

Description

一种多台阶式静电探针探头
技术领域
本发明涉及静电探针技术领域，具体涉及一种多台阶式静电探针探头。
背景技术
边缘等离子体湍流是制约托卡马克约束性能的关键。托卡马克等离子体富含多尺度湍性扰动和复杂的多尺度非线性相互作用，研究高约束等离子体中多时空尺度多模非线性相互作用的机理，理解多尺度湍流非线性自组织过程非常重要。湍流在径向和极向上的结构不相同，频率范围大约在0-1MHz，波数范围大约是0-100cm-1。一般来说，每个湍流诊断都有特定的测量范围，同时进行多尺度湍流诊断是有难度的。
边缘区的湍流及其输运与径向电场及其剪切互相影响。强径向电场及其剪切可以在很大程度上抑制边缘湍流及其输运，弱径向电场及其剪切对湍流的影响较小；强湍流及输运也会减弱径向电场及其剪切。因此对于径向电场的测量非常重要。根据力平衡方程，径向电场
Figure BDA0003029137370000011
即径向电场由压强梯度项
Figure BDA0003029137370000012
极向流项(-VθBφ)以及环向流(VφBθ)三项组成。研究这三项中哪一项在径向电场中占主导作用，有利于针对性控制湍流输运。另外这三项对不同尺度的湍流作用不同，所以同时测量径向电场这三项的大小和演化趋势非常重要。
目前对于边缘湍流及其输运的测量主要是采用朗缪尔静电探针，主要的测量方式包括单探针和双探针对两种基本探针：
1.单探针测量悬浮电位：
探针悬浮于等离子体中，其对地电位为悬浮电位Vf
2.双探针对：
两个静电探针放置于等离子体中，根据探针测量原理，在两探针之间加上恒定偏压，分别测量两探针的对地电压分别为V+和V_，即可得到等离子体离子饱和流Is。
3.马赫探针对：
两个托卡马克环向的探针，加上足够大的负偏压使得探针电流饱和，分别测量只面向上游和下游的离子饱和流Isi上游和Isi下游，两者的比值可以用来计算环向马赫数，进而计算环向等离子旋转速度。
将悬浮电位探针和双探针结合成三探针，还可以测量等离子体密度和温度以及电位如下：电子温度：Te＝(V+-Vf)/ln2密度
Figure BDA0003029137370000013
等离子体电位Vp＝Vf+2.8Te,其中S为探针有效测量面积,R为电路的采样电阻，进而可以计算径向电场
Figure BDA0003029137370000021
利用两个悬浮电位探针和双探针的组成四探针还可以测量不同的等离子体参数，例如热通量(q＝7×Is×Te)以及能量衰减长度
Figure BDA0003029137370000022
极向电场(Eθ)、径向速度扰动
Figure BDA0003029137370000023
径向扰动粒子通量
Figure BDA0003029137370000024
的径向剖面以及湍流极向结构参数。
目前主要是利用多台阶探针测量边缘湍流及其输运，在假定等离子体处于平衡状态下利用快速往返的探针系统来得到径向分布，进而得到湍流参数的径向剖面，从而实现同时测量边缘湍流及其输运的目标。但是多台阶探针存在一些问题，第一是多台阶探针的体积大，对等离子体的影响也比较大；第二是多台阶探针的针头数量较多，一般在12个针头以上，各个针头之间的遮挡也多，较多针头在数据传输过程中也可能出现互相干扰的情况；第三是目前并没有针对该研究目标能够同时测量所有需要物理参数的探头，因此需要设计一个特殊针头组合的多台阶探针，除了常见的三探针和四探针能够测量的物理量，还能同时测量径向电场中三项(即压强梯度项、极向流项和环向流项)中的每一项，以及测量湍流的极向和径向多尺度结构。其次，设计要求尽量缩小探头尺寸从而有效减小探头对等离子体的影响，减少针头数量来减少多个针头之间的相互遮挡和信号传输的干扰，并降低生产成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多台阶式静电探针探头，不仅能够测量常见三探针和四探针能测量的物理量以及径向电场中的三项，还能测量湍流的径向的多尺度结构和极向的多尺度结构，且具有针头数量少、尺寸小的优点。
本发明通过下述技术方案实现：
一种多台阶式静电探针探头，包括石墨护套、第一双探针、第二双探针、第一悬浮电位探针、第二悬浮电位探针、第三悬浮电位探针、第四悬浮电位探针、第五悬浮电位探针、第一马赫探针和第二马赫探针；
所述石墨护套的顶部呈阶梯结构，所述阶梯结构包括径向第一台阶面、径向第二台阶面和径向第三台阶面，所述径向第二台阶面和径向第三台阶面的高度均低于径向第一台阶面，且所述径向第二台阶面和径向第三台阶面的径向位置不同；
所述第一双探针和第二双探针的顶部在径向第一台阶面上呈环向分布，所述第一悬浮电位探针、第二悬浮电位探针和第三悬浮电位探针在径向第一台阶面上呈极向分布且在环向上对齐，所述第一悬浮电位探针置于第二悬浮电位探针和第三悬浮电位探针之间，所述第一悬浮电位探针与第二悬浮电位探针之间的极向间距为d3,4，所述第一悬浮电位探针与第三悬浮电位探针之间的极向间距为d3,7，d3,4不等于d3,7，所述第一马赫探针和第二马赫探针的顶部在径向第一台阶面上呈环向分布，且第一双探针、第二双探针、第一马赫探针和第二马赫探针在极向上对齐；
所述第四悬浮电位探针布置在径向第二台阶面上，所述第五悬浮电位探针布置在径向第三台阶面上，所述第三悬浮电位探针与第四悬浮电位探针之间的径向间距为d7,8，所述第三悬浮电位探针与第五电位探针之间的径向间距为d7,9，d7,8不等于d7,9，所述第三悬浮电位探针、四悬浮电位探针和第五悬浮电位探针在极向上对齐。
本发明所述环向为第一双探针、第二双探针、第一马赫探针和第二马赫探针所在直线方向，所述极向为第一悬浮电位探针、第二悬浮电位探针和第三悬浮电位探针所在直线方向，所述径向具体是指径向第一台阶面或径向第二台阶面或径向第三台阶面的高度方向。
本发明的构思在于：
通过在径向第一台阶面上呈环向分布的双探针对(第一双探针、第二双探针)测量离子饱和流；通过在径向第一台阶面上呈极向分布的第一悬浮电位探针、第二悬浮电位探针可以测量极向电场和径向扰动速度以及湍流的极向结构；所述第一双探针、第二双探针、第一悬浮电位探针、第二悬浮电位探针构成四探针，用于测量等离子体密度和温度、压强和压强梯度以及湍流输运的粒子通量和极向结构，也可以计算热通量和能量衰减长度、等离子体空间电位和径向电场以及极向流；通过在径向第一台阶面上呈极向分布的第一马赫探针和第二马赫探针可以用于测量环向等离子体旋转速度即环向流，进而得到径向电场三项中每一项的大小，确定哪一项起主导作用；通过在径向第一台阶面上呈极向分布的第一悬浮电位探针、第二悬浮电位探针和第三悬浮电位探针可以测量极向多尺度湍流，通过第三悬浮电位探针、第四悬浮电位探针和第五悬浮电位探针的组合，可以测量湍流的径向多尺度结构。
其中，湍流的极向波数范围与d3,4和d3,7大小相关，d3,4和d3,7不同才能测量不同范围的波数，即多尺度极向湍流。湍流的极向波数范围与d7,8和d7,9大小相关，d7,8和d7,9不同才能测量不同范围的波数，即多尺度径向湍流。
由上述九个针头构成的探针阵列，既能够测量三探针和四探针能测量的物理量以及径向电场中的三项，还可以测量湍流的径向和极向多尺度结构；并且该探头的尺寸小，减小了现有大尺寸多台阶探针对等离子体的影响；针头数量少，减少了多个针头之间的相互遮挡和信号干扰，也能降低探针生产成本。
进一步地，d3,4和d3,7均为0mm-12mm，且d3,4是d3,7的1-3倍或者d3,7是d3,4的1-3倍。
进一步地，d7,8和d7,9均0mm-10mm，且d7,8是d7,9的1-3倍或者d7,9是d7,8的1-3倍。
进一步地，第一双探针、第二双探针、第一悬浮电位探针、第二悬浮电位探针和第三悬浮电位探针均在径向上凸出于径向第一台阶面，所述第一马赫探针和第二马赫探针的顶部在径向上与径向第一台阶面齐平，所述第四悬浮电位探针、第五悬浮电位探针分别在径向上凸出于径向第二台阶面和径向第三台阶面。
进一步地，第一双探针、第二双探针、第一悬浮电位探针、第二悬浮电位探针和第三悬浮电位探针的顶部在径向上均比径向第一台阶面高一个针头；所述第四悬浮电位探针、第五悬浮电位探针的顶部在径向上分别比径向第二台阶面和径向第三台阶面高一个针头。
进一步地，径向第一台阶面沿着径向向内凹陷形成两个凹槽，所述第一马赫探针和第二马赫探针分别置于两个凹槽内，所述凹槽在外侧形成缺口，所述缺口的深度与凹槽的深度一致。
进一步地，径向第一台阶面呈凸字形结构，所述径向第二台阶面和径向第三台阶面分别置于凸字形结构小端的两侧。
上述设置能进一步实现结构紧凑，利于降低尺寸。
进一步地，第一马赫探针和第二马赫探针分别设置在第一双探针和第二双探针外侧。
进一步地，第一双探针、第二双探针、第一悬浮电位探针、第二悬浮电位探针、第三悬浮电位探针、第四悬浮电位探针、第五悬浮电位探针、第一马赫探针和第二马赫探针的顶端针头的结构相同；不同在于：各不同作用的探针后端所接的电路不同，即双探针、悬浮电位和马赫探针这三种类型的探针后端所接电路不同。
进一步地，第一双探针、第二双探针、第一悬浮电位探针、第二悬浮电位探针、第三悬浮电位探针、第四悬浮电位探针、第五悬浮电位探针、第一马赫探针和第二马赫探针的顶端针头的直径均为2mm～4mm。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明不仅能够测量常见三探针和四探针能测量的物理量以及径向电场中的三项，还能测量湍流的径向的多尺度结构和极向的多尺度结构。
2、本发明的尺寸小，减小了现有大尺寸多台阶探针对等离子体的影响；针头数量少，减少了多个针头之间的相互遮挡和信号干扰，也能降低探针生产成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为探头的结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-第一双探针，2-第二双探针，3-第一悬浮电位探针，4-第二悬浮电位探针，5-第一马赫探针，6-第二马赫探针，7-第三悬浮电位探针，8-第四悬浮电位探针，9-第五悬浮电位探针，10-石墨护套。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，一种多台阶式静电探针探头，包括石墨护套10、第一双探针1、第二双探针2、第一悬浮电位探针3、第二悬浮电位探针4、第三悬浮电位探针7、第四悬浮电位探针8、第五悬浮电位探针9、第一马赫探针5和第二马赫探针6；
所述石墨护套9的顶部呈阶梯结构，所述阶梯结构包括径向第一台阶面、径向第二台阶面和径向第三台阶面，所述径向第二台阶面和径向第三台阶面的高度均低于径向第一台阶面，且所述径向第二台阶面和径向第三台阶面的径向位置不同；
所述第一双探针1和第二双探针2的顶部在径向第一台阶面上呈环向分布，所述第一悬浮电位探针3、第二悬浮电位探针4和第三悬浮电位探针7在径向第一台阶面上呈极向分布且在环向上对齐，所述第一悬浮电位探针3置于第二悬浮电位探针4和第三悬浮电位探针7之间，所述第一悬浮电位探针3与第二悬浮电位探针4之间的极向间距为d3,4，所述第一悬浮电位探针3与第三悬浮电位探针7之间的极向间距为d3,7，d3,4不等于d3,7，所述第一马赫探针5和第二马赫探针6的顶部在径向第一台阶面上呈环向分布，且第一双探针1、第二双探针2、第一马赫探针5和第二马赫探针6在极向上对齐，所述第一马赫探针5和第二马赫探针6分别设置在第一双探针1和第二双探针2外侧；
所述第四悬浮电位探针8布置在径向第二台阶面上，所述第五悬浮电位探针9布置在径向第三台阶面上，所述第三悬浮电位探针7与第四悬浮电位探针8之间的径向间距为d7,8，所述第三悬浮电位探针7与第五电位探针9之间的径向间距为d7,9，d7,8不等于d7,9，所述第三悬浮电位探针7、四悬浮电位探针8和第五悬浮电位探针9在极向上对齐。
在本实施例中，d3,4和d3,7均为0mm-12mm，且d3,4是d3,7的1-3倍或者d3,7是d3,4的1-3倍；湍流的极向波数范围与d3,4和d4,7大小相关，d3,4和d3,7不同才能测量不同范围的波数，即多尺度极向湍流。d7,8和d7,9均0mm-10mm，且d7,8是d7,9的1-3倍或者d7,9是d7,8的1-3倍；湍流的极向波数范围与d7,8和d7,9大小相关，d7,8和d7,9不同才能测量不同范围的波数，即多尺度径向湍流。
所述第一双探针1、第二双探针2、第一悬浮电位探针3、第二悬浮电位探针4和第三悬浮电位探针7的顶部在径向上均比径向第一台阶面高一个针头；所述第四悬浮电位探针8、第五悬浮电位探针9的顶部在径向上分别比径向第二台阶面和径向第三台阶面高一个针头。
所述径向第一台阶面沿着径向向内凹陷形成两个圆形的凹槽，所述第一马赫探针5和第二马赫探针6分别置于两个凹槽内，所述凹槽在外侧形成缺口，该缺口用于实现圆形的通槽在环向上与外部连通，所述缺口的深度与凹槽的深度一致，所述缺口为一个U形槽，所述U形槽呈环向布置且设置在凹槽的外侧，所述外侧为两个凹槽相对的一侧。
在本实施例中，为了节约探头的尺寸，将所述径向第一台阶面呈凸字形结构，所述径向第二台阶面和径向第三台阶面分别置于凸字形结构小端的两侧，整个探头的顶部或石墨护套10的顶部沿着径向的俯视图呈长方形结构，且在长方形结构形成深浅不一的槽分别形成径向第二台阶面和径向第三台阶面。
实施例2：
如图1所示，本实施例基于实施例1，所述的一种多台阶式静电探针探头，所述第一双探针1、第二双探针2、第一悬浮电位探针3、第二悬浮电位探针4、第三悬浮电位探针7、第四悬浮电位探针8、第五悬浮电位探针9、第一马赫探针5和第二马赫探针6的顶端针头的结构相同；所述第一双探针1、第二双探针2、第一悬浮电位探针3、第二悬浮电位探针4、第三悬浮电位探针7、第四悬浮电位探针8、第五悬浮电位探针9、第一马赫探针5和第二马赫探针6的顶端针头的直径均为2mm～4mm。
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 (10)

1.一种多台阶式静电探针探头，其特征在于，包括石墨护套(10)、第一双探针(1)、第二双探针(2)、第一悬浮电位探针(3)、第二悬浮电位探针(4)、第三悬浮电位探针(7)、第四悬浮电位探针(8)、第五悬浮电位探针(9)、第一马赫探针(5)和第二马赫探针(6)；
所述石墨护套(9)的顶部呈阶梯结构，所述阶梯结构包括径向第一台阶面、径向第二台阶面和径向第三台阶面，所述径向第二台阶面和径向第三台阶面的高度均低于径向第一台阶面，且所述径向第二台阶面和径向第三台阶面的径向位置不同；
所述第一双探针(1)和第二双探针(2)的顶部在径向第一台阶面上呈环向分布，所述第一悬浮电位探针(3)、第二悬浮电位探针(4)和第三悬浮电位探针(7)在径向第一台阶面上呈极向分布且在环向上对齐，所述第一悬浮电位探针(3)置于第二悬浮电位探针(4)和第三悬浮电位探针(7)之间，所述第一悬浮电位探针(3)与第二悬浮电位探针(4)之间的极向间距为d3,4，所述第一悬浮电位探针(3)与第三悬浮电位探针(7)之间的极向间距为d3,7，d3,4不等于d3,7，所述第一马赫探针(5)和第二马赫探针(6)的顶部在径向第一台阶面上呈环向分布，且第一双探针(1)、第二双探针(2)、第一马赫探针(5)和第二马赫探针(6)在极向上对齐；
所述第四悬浮电位探针(8)布置在径向第二台阶面上，所述第五悬浮电位探针(9)布置在径向第三台阶面上，所述第三悬浮电位探针(7)与第四悬浮电位探针(8)之间的径向间距为d7,8，所述第三悬浮电位探针(7)与第五电位探针(9)之间的径向间距为d7,9，d7,8不等于d7,9，所述第三悬浮电位探针(7)、四悬浮电位探针(8)和第五悬浮电位探针(9)在极向上对齐。
2.根据权利要求1所述的一种多台阶式静电探针探头，其特征在于，d3,4和d3,7均为0mm-12mm，且d3,4是d3,7的1-3倍或者d3,7是d3,4的1-3倍。
3.根据权利要求1所述的一种多台阶式静电探针探头，其特征在于，d7,8和d7,9均0mm-10mm，且d7,8是d7,9的1-3倍或者d7,9是d7,8的1-3倍。
4.根据权利要求1所述的一种多台阶式静电探针探头，其特征在于，所述第一双探针(1)、第二双探针(2)、第一悬浮电位探针(3)、第二悬浮电位探针(4)和第三悬浮电位探针(7)均在径向上凸出于径向第一台阶面，所述第一马赫探针(5)和第二马赫探针(6)的顶部在径向上与径向第一台阶面齐平，所述第四悬浮电位探针(8)、第五悬浮电位探针(9)分别在径向上凸出于径向第二台阶面和径向第三台阶面。
5.根据权利要求4所述的一种多台阶式静电探针探头，其特征在于，所述第一双探针(1)、第二双探针(2)、第一悬浮电位探针(3)、第二悬浮电位探针(4)和第三悬浮电位探针(7)的顶部在径向上均比径向第一台阶面高一个针头；所述第四悬浮电位探针(8)、第五悬浮电位探针(9)的顶部在径向上分别比径向第二台阶面和径向第三台阶面高一个针头。
6.根据权利要求4所述的一种多台阶式静电探针探头，其特征在于，所述径向第一台阶面沿着径向向内凹陷形成两个凹槽，所述第一马赫探针(5)和第二马赫探针(6)分别置于两个凹槽内，所述凹槽在外侧形成缺口，所述缺口的深度与凹槽的深度一致。
7.根据权利要求1所述的一种多台阶式静电探针探头，其特征在于，所述径向第一台阶面呈凸字形结构，所述径向第二台阶面和径向第三台阶面分别置于凸字形结构小端的两侧。
8.根据权利要求1所述的一种多台阶式静电探针探头，其特征在于，所述第一马赫探针(5)和第二马赫探针(6)分别设置在第一双探针(1)和第二双探针(2)外侧。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种多台阶式静电探针探头，其特征在于，所述第一双探针(1)、第二双探针(2)、第一悬浮电位探针(3)、第二悬浮电位探针(4)、第三悬浮电位探针(7)、第四悬浮电位探针(8)、第五悬浮电位探针(9)、第一马赫探针(5)和第二马赫探针(6)的顶端针头的结构相同。
10.根据权利要求9所述的一种多台阶式静电探针探头，其特征在于，所述第一双探针(1)、第二双探针(2)、第一悬浮电位探针(3)、第二悬浮电位探针(4)、第三悬浮电位探针(7)、第四悬浮电位探针(8)、第五悬浮电位探针(9)、第一马赫探针(5)和第二马赫探针(6)的顶端针头的直径均为2mm～4mm。
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