CN113194590B - 一种静电探针探头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种静电探针探头,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、第一马赫探针和第二马赫探针,形成径向第一台阶探针阵列和径向第二台阶探针阵列,径向第一台阶探针阵列包含极向分布的两根悬浮电位探针和环向分布的双探针构成四探针以及环向分布的两个马赫探针,径向第二台阶探针阵列包括环向分布的两根悬浮电位探针。本发明为新的探针组合,既能够测量常见三探针和四探针能测量的物理量,还能同时测量径向电场中的三项和湍流的径向结构;并且该探头的尺寸小;针头数量少,可以减少多个针头之间的相互遮挡,也能降低探针成本。

Description

一种静电探针探头
技术领域
本发明涉及静电探针技术领域,具体涉及一种静电探针探头。
背景技术
磁约束核聚变装置的稳态高约束运行必须优化刮削层的能量耗散,这是当前国际上最热的关键物理和工程问题。刮削层的能量耗散强弱可以用刮削层的能量衰减长度来衡量。根据大量当今世界上多个托卡马克装置的实验数据得到的能量衰减定标率的预测,国际热核实验聚变堆(ITER)的能量衰减长度为1mm。因此优化刮削层的能量耗散是一个亟待解决的重要问题,对于延长磁约束核聚变装置的偏滤器靶板的使用寿命至关重要。
从物理的角度出发,刮削层的湍流来源于边缘区,边缘区湍流导致的反常径向输运直接影响刮削层热流和粒子流的分布。因此边缘区湍流及其输运影响能量衰减长度是一个非常重要的研究课题。因此,测量边缘区湍流及其输运以及能量衰减长度的测量非常重要。
目前对于边缘湍流及其输运和刮削层宽度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)/ln 2;密度
Figure GDA0003109506560000011
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 GDA0003109506560000012
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 GDA0003109506560000013
极向电场(Eθ)、径向速度扰动
Figure GDA0003109506560000014
径向扰动粒子通量
Figure GDA0003109506560000015
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,进而计算刮削层宽度,从而实现同时测量边缘湍流及其输运和刮削层宽度的目标。但是多台阶探针存在一些问题,1)、多台阶探针的体积大,对等离子体的影响比较大;2)、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比较多,较多针头在数据传输过程中也可能出现互相干扰的情况;3)、不能够同时测量所有课题需要的所有物理参数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种静电探针探头,不仅能够测量常见三探针和四探针能测量的物理量,还能同时测量径向电场中的三项和湍流的径向结构,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,所述阶梯结构包括第一台阶面和第二台阶面,所述第二台阶面的高度低于第一台阶面;
所述第一双探针和第二双探针的顶部在第一台阶面上呈环向分布,所述第一悬浮电位探针和第二悬浮电位探针在第一台阶面上呈极向分布且在环向上对齐,所述第一双探针、第二双探针、第一悬浮电位探针和第二悬浮电位探针构成四探针,所述第一马赫探针和第二马赫探针的顶部在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;
所述第三悬浮电位探针和第四悬浮电位探针在第二台阶面呈环向分布,且第一双探针和第三悬浮电位探针在环向上对齐,所述第二双探针和第四悬浮电位探针在环向上对齐;
所述第一双探针、第二双探针、第一悬浮电位探针和第二悬浮电位探针的顶部在径向上对齐,所述第一马赫探针和第二马赫探针的顶部在径向上对齐,所述第三悬浮电位探针和第四悬浮电位探针的顶部在径向上对齐。
本发明所述环向具体是指由第一双探针、第二双探针、第一马赫探针和第二马赫探针所在直线方向,所述极向具体是指第一悬浮电位探针、第二悬浮电位探针所在直线方向,所述径向具体是指第一台阶面或第二台阶面的高度方向。
研究发现:
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 GDA0003109506560000031
即径向电场由压强梯度项
Figure GDA0003109506560000032
极向流项
Figure GDA0003109506560000033
以及环向流(VφBθ)三项组成。研究这三项中哪一项对径向电场占主导作用对于湍流输运研究,才能知道对应的影响刮削层宽度的方法,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。
另外,刮削层宽度是等离子体径向湍流输运和平行于磁力线方向的输运之间竞争的结果,因此,刮削层宽度与等离子体径向和平行方向上的特征时间相关。径向特征长度Lc,r与湍流的径向相关程度相关,因此,湍流的径向结构的测量也很关键。
现有的三探针和四探针虽然能够测量等离子体密度和温度以及电位,但是不能测量径向电场中三项(即压强梯度项、极向流项和环向流项),以及测量湍流的极向和径向结构。
本发明的第一双探针、第二双探针构成双探针对,可以测量离子饱和流,呈极向分布在第一台阶面上的第一悬浮电位探针和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;第一台阶面上的四探针组合可以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;呈环向分布在第一台阶面上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;第一悬浮电位和第三悬浮电位可以测量湍流径向结构(包括径向相关长度和径向平均波数),第一悬浮电位和第四悬浮电位也可以测量湍流径向结构。
综上,本发明合理选择探针以及合理布置各个探针之间的相对位置关系,仅仅使用八个探针就能实现同时测量所有需要的物理参数,不仅降低了尺寸,可以有效减小现有大尺寸多台阶探针对等离子体的影响;且针头数量少,可以减少多个针头之间的相互遮挡,也能降低探针成本。
进一步地,第一双探针、第二双探针、第一悬浮电位探针和第二悬浮电位探针在径向上凸出于第一台阶面,所述第一马赫探针和第二马赫探针的顶部在径向上与第一台阶面齐平,所述第三悬浮电位探针和第四悬浮电位探针在径向上凸出于第二台阶面。
进一步地,第一双探针、第二双探针、第一悬浮电位探针和第二悬浮电位探针的顶部在径向上比第一台阶面高一个针头;所述第三悬浮电位探针和第四悬浮电位探针的顶部在径向上比第二台阶面高一个针头。
进一步地,第一台阶面呈凸字形结构,所述第二台阶面被第一台阶面分割成两段,所述第三悬浮电位探针和第四悬浮电位探针分别设置在两端第二台阶面上。
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、本发明既能够测量三探针和四探针能测量的物理量,还能测量径向电场中的三项和湍流的径向结构。
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-第三悬浮电位探针,6-第四悬浮电位探针,7-第一马赫探针,8-第二马赫探针,9-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,一种静电探针探头,包括石墨护套9、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5、第四悬浮电位探针6、第一马赫探针7和第二马赫探针8;
所述石墨护套9的顶部呈阶梯结构,所述阶梯结构包括第一台阶面和第二台阶面,所述第二台阶面的高度低于第一台阶面;
所述第一双探针1和第二双探针2的顶部在第一台阶面上呈环向分布,所述第一悬浮电位探针3和第二悬浮电位探针4在第一台阶面上呈极向分布且在环向上对齐,所述第一双探针1、第二双探针2、第一悬浮电位探针3和第二悬浮电位探针4构成四探针,所述第一马赫探针7和第二马赫探针8的顶部在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7和第二马赫探针8在极向上对齐;
所述第三悬浮电位探针5和第四悬浮电位探针6在第二台阶面呈环向分布,且第一双探针1和第三悬浮电位探针5在环向上对齐,所述第二双探针2和第四悬浮电位探针6在环向上对齐;
所述第一双探针1、第二双探针2、第一悬浮电位探针3和第二悬浮电位探针4的顶部在径向上对齐,所述第一马赫探针7和第二马赫探针8的顶部在径向上对齐,所述第三悬浮电位探针5和第四悬浮电位探针6的顶部在径向上对齐。
在本实施例中,所述第一双探针1、第二双探针2、第一悬浮电位探针3和第二悬浮电位探针4在径向上凸出于第一台阶面,所述第三悬浮电位探针5和第四悬浮电位探针6在径向上凸出于第二台阶面;所述第一双探针1、第二双探针2、第一悬浮电位探针3和第二悬浮电位探针4的顶部在径向上比第一台阶面高一个针头;所述第三悬浮电位探针5和第四悬浮电位探针6的顶部在径向上比第二台阶面高一个针头;
所述第一马赫探针7和第二马赫探针8分别设置在第一双探针1和第二双探针2外侧。所述第一马赫探针7和第二马赫探针8的顶部在径向上与第一台阶面齐平,第一马赫探针7和第二马赫探针8的安装位置如下:第一台阶面沿着径向凹陷形成圆形凹槽,凹槽的深度和针头的高度相同;所述第一台阶面上设置有与圆形凹槽连通的U形通槽,所述U形通槽呈环向分布,所述U形通槽设置在第一马赫探针7或第二马赫探针8的外侧。
实施例2:
如图1所示,本实施例基于实施例1,所述第一台阶面呈凸字形结构,所述第二台阶面被第一台阶面分割成两段,所述第三悬浮电位探针5和第四悬浮电位探针6分别设置在两端第二台阶面上;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5、第四悬浮电位探针6、第一马赫探针7和第二马赫探针8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5、第四悬浮电位探针6、第一马赫探针7和第二马赫探针8的顶端针头的直径均为2mm~4mm。
在本实施例中,第三悬浮电位探针5、第四悬浮电位探针6在环向上设置在第一悬浮电位探针3的两侧。
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)

1.一种静电探针探头,其特征在于,包括石墨护套(9)、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(5)、第四悬浮电位探针(6)、第一马赫探针(7)和第二马赫探针(8);
所述石墨护套(9)的顶部呈阶梯结构,所述阶梯结构包括第一台阶面和第二台阶面,所述第二台阶面的高度低于第一台阶面;
所述第一双探针(1)和第二双探针(2)的顶部在第一台阶面上呈环向分布,所述第一悬浮电位探针(3)和第二悬浮电位探针(4)在第一台阶面上呈极向分布且在环向上对齐,所述第一双探针(1)、第二双探针(2)、第一悬浮电位探针(3)和第二悬浮电位探针(4)构成四探针,所述第一马赫探针(7)和第二马赫探针(8)的顶部在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(7)和第二马赫探针(8)在极向上对齐;
所述第三悬浮电位探针(5)和第四悬浮电位探针(6)在第二台阶面呈环向分布,且第一双探针(1)和第三悬浮电位探针(5)在环向上对齐,所述第二双探针(2)和第四悬浮电位探针(6)在环向上对齐;
所述第一双探针(1)、第二双探针(2)、第一悬浮电位探针(3)和第二悬浮电位探针(4)的顶部在径向上对齐,所述第一马赫探针(7)和第二马赫探针(8)的顶部在径向上对齐,所述第三悬浮电位探针(5)和第四悬浮电位探针(6)的顶部在径向上对齐;
所述环向具体是指第一双探针(1)、第二双探针(2)、第一马赫探针(7)和第二马赫探针(8)所在直线方向,所述极向具体是指第一悬浮电位探针(3)、第二悬浮电位探针(4)所在直线方向,所述径向具体是指第一台阶面或第二台阶面的高度方向。
2.根据权利要求1所述的一种静电探针探头,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)和第二悬浮电位探针(4)在径向上凸出于第一台阶面,所述第一马赫探针(7)和第二马赫探针(8)的顶部在径向上与第一台阶面齐平,所述第三悬浮电位探针(5)和第四悬浮电位探针(6)在径向上凸出于第二台阶面。
3.根据权利要求2所述的一种静电探针探头,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)和第二悬浮电位探针(4)的顶部在径向上比第一台阶面高一个针头;所述第三悬浮电位探针(5)和第四悬浮电位探针(6)的顶部在径向上比第二台阶面高一个针头。
4.根据权利要求1所述的一种静电探针探头,其特征在于,所述第一台阶面呈凸字形结构,所述第二台阶面被第一台阶面分割成两段,所述第三悬浮电位探针(5)和第四悬浮电位探针(6)分别设置在两端第二台阶面上。
5.根据权利要求1所述的一种静电探针探头,其特征在于,所述第一马赫探针(7)和第二马赫探针(8)分别设置在第一双探针(1)和第二双探针(2)外侧。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种静电探针探头,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(5)、第四悬浮电位探针(6)、第一马赫探针(7)和第二马赫探针(8)的顶端针头的结构相同。
7.根据权利要求6所述的一种静电探针探头,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(5)、第四悬浮电位探针(6)、第一马赫探针(7)和第二马赫探针(8)的顶端针头的直径均为2mm~4mm。
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