CN203799675U - 佳拉洁雅型磁约束装置下等离子体参数测量装置 - Google Patents

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Abstract

佳拉洁雅型磁约束装置下等离子体参数测量装置，它涉及的是磁约束等离子体参数测量的技术领域。电探针测量模块有效测量等离子体的密度和温度；磁探针测量模块有针对性的测量特定区域的磁场强度；热量计测量模块3测量等离子体的能量在装置的三个组成部分中的变化情况；罗格夫斯基线圈测量模块测量等离子体的放电电流，便于对等离子体通道安装位置进行调整；信号采集模块、信号处理模块、PC显示模块相结合对测得的信号进行统一处理。通过各个模块测量工具的有效组合，可全面测取等离子研究所需的参数信息。

Description

佳拉洁雅型磁约束装置下等离子体参数测量装置
技术领域：
本实用新型涉及测量技术领域，具体涉及佳拉洁雅型磁约束装置下等离子体参数测量装置，尤其是针对处于强约束磁场下的高温、高压等离子体参数的测量。
背景技术：
当今世界，能源领域相关问题的严重性和急迫性已经日趋凸显。在一些地区甚至发生了由能源问题引发的危机和争端。核聚变在燃料的能量含量、燃料蕴藏量、安全性及环境友好性上都具有长足的优势。然而对聚变能的有效利用尚存在着许多科学上和技术上的难题。在热核聚变反应中尚不能够对等离子体实现长时稳定的约束，制约着核能利用技术的进一步发展，等离子体参数的测量作为等离子体磁约束研究的基础对于热核聚变反应的理论研究和实践应用意义重大。等为了更好的反映装置对等离子体的约束情况以实现磁约束技术的快速发展，必须通过实验工具对等离子体参数进行可靠、实时、准确的测量。目前，等离子体磁约束装置中对等离子体参数的测量主要采用朗缪尔探针，通过不同空间位置探针的信号获取等离子体的运动状态和空间分布，通过探针获取的I-V（电流和电压）特性曲线对电子温度进行求解，可以得到粒子密度。但此测量方法存在以下不足：（1）磁约束等离子体的运动速度较大、空间磁感应强度较大会造成很大的测量误差甚至可能导致探针的损坏；（2）探针测量等离子体密度需要通过二次推导计算获得，不能保证测量结果的准确性；（3）单一测量工具的测量结果单独进行处理，不能总体上反映磁约束装置运行情况，且实时性差。
实用新型内容：
本实用新型是为了解决现有测量装置的测量精度差、实时性差、测量工具损坏、测量参数不全面的问题，而采用的一种分散测量、集中控制的测量装置。它包括电探针测量模块、磁探针测量模块、热量计测量模块、罗格夫斯基线圈测量模块、信号采集模块、信号处理模块、PC显示模块，
电探针测量模块，包括12个钨丝制成电探针，电探针均匀分布于线圈磁阱内R=0.28m的圆周上，通过12个电探针获得的测量信号获取等离子体的填充时间及约束时间；
磁探针测量模块，将小探针线圈封入石英管内，然后插入等离子体中，分别用于测量通道磁场和磁阱线圈空间的磁场强度，对通道各组成部分磁场强度和过渡区的磁场强度进行测量；
热量计测量模块，包括环形热量计和圆柱形热量计，布置在等离子体通道的入口、出口及磁阱线圈的后侧，测量等离子体处于不同阶段的热量情况，反映等离子体的约束效果；
罗格夫斯基线圈测量模块，由400个线直径为7mm的线圈组成，线圈平均直径为60mm；
信号采集模块，能够将前述各个测量模块所测得的模拟量转换为数字量，再通过信号处理模块做进一步的处理，反应出装置的运行情况，最后通过PC显示模块将不同测量工具测得的结果显示出来。
所述环形热量计置于等离子体枪出口和等离子体通道入口的中间，用于测量等离子体的初始温度，所述圆柱形热量计置于等离子体通道出口和磁阱线圈入口间的区域，用于测量等离子体自等离子体通道离开进入磁阱线圈之前的等离子体能量。
所述罗格夫斯基线圈放置于A、B、C、D位置，A位于等离子体枪的两极之间，B、C、D三点距等离子体枪出口的距离为5cm、10cm、15cm。
所述电探针测量模块的探针由直径为1.8mm或0.3mm的钨丝制成。
附图说明：
图1等离子体枪测量工具布置示意图
图2等离子体通道测量工具安装示意图
图3等离子体通道和磁阱中热量计安装示意图
图4等离子体磁阱线圈中电探针的安装示意图
图5测量装置系统整体结构示意图
具体实施方式：
结合附图说明具体实施方式：
本实用新型是为了解决现有测量装置的测量精度差、实时性差、测量工具损坏、测量参数不全面的问题，而采用的一种分散测量、集中控制的测量装置。它包括电探针测量模块1、磁探针测量模块2、热量计测量模块3、罗格夫斯基线圈测量模块4、信号采集模块5、信号处理模块6、PC显示模块7。
电探针测量模块1包括两部分：根据电探针自身的特点，将探针主要布置于弱磁场区域——等离子体通道边缘和磁阱线圈所产生磁场位形下的弱磁场区域，可有效提高测量精度及避免探针的损坏。磁探针测量模块2包括两部分：分别用于测量通道磁场和磁阱线圈空间的磁场强度，分别反映其磁场强弱分布，磁探针测量法是测量空间中一点附近磁场磁感应强度的方法，将小的探针线圈封入石英管内，然后插入等离子体中，就可以测量脉冲磁场的变化率。热量计测量模块3采用的测量工具有环形热量计和圆柱形热量计，其中，环形热量计置于等离子体枪出口和等离子体通道入口的中间，用于测量等离子体的初始温度，圆柱形热量计置于等离子体通道出口和磁阱线圈入口间的区域，用于测量等离子体自等离子体通道离开进入磁阱线圈之前的等离子体能量，通过两者的测量结果可有效分析等离子体通道中等离子体能量的损失。罗格夫斯基线圈测量模块4用以测量强脉冲电流，它提供了流经线圈轴向总电流的直接测量途径，而且它与管内电流的分布无关，能够有效地测量流经等离子体的电流。各测量模块测得的模拟信号结果经信号采集模块5送入信号处理模块6，经过处理后通过PC显示模块7将处理后的测量信号通过人机交互界面得以数字化的显示，可以对佳拉洁雅型磁约束装置的运行动态进行有效监控，便于装置的实时调节，达到更好地约束等离子体的效果。
本测量系统的应用对象是佳拉洁雅型磁约束装置，它在结构上由三部分组成：等离子体枪、等离子体通道和磁阱。其中等离子体密度变化范围为：1×1016—8×1020m-3，等离子体能量变化范围：0—100eV，磁场区域磁感应强度变化范围：0.01T—0.1T。等离子枪依靠电容24μF，电压可达20kV的脉冲电源供能。放电电压高达17kV，在电路中放电电流约为130kA时，距枪1cm处，电流不会超过8kA。等离子体通道中轴向磁场强度为0.034T，进入等离子通道的低速等离子体的能量为20J，进入等离子体通道的粒子数量约为1019。低速等离子体在等离子体通道中的平均速度是5×104m/s，等离子流长1.5m，注入时间为30μs。等离子体离开等离子体通道时，能量为2J，粒子数量为1018。出口处的粒子平均浓度约为2×1020m-3。
图1中A、B、C、D位置放置罗格夫斯基线圈，它是由400个线直径为7mm的线圈组成，线圈平均直径为60mm，用以测定等离子体的放电电流，A位于等离子体枪的两极之间，测量氢气的等离子体化进程中的放电电流，B、C、D三点距等离子体枪出口的距离为5cm、10cm、15cm，距离可调整，测量结果用以调整等离子体通道的空间安装位置。
图2等离子体通道由四部分组成：E全等离子体通道，F截断器，G快速等离子体通道，H溜槽线圈。图中4-10是磁线圈，线直径为3mm，线圈直径为110mm。环形热量计3是由环形的黄铜圆片组成，其外部直径118mm，内部直径103mm。把圆环等分成四部分，每部分由型号为22XC的绝缘性陶瓷连接。在每个部分使用镍铜热电偶调整。环形热量计校准机构给出，其热量计的温度灵敏度是231μV/K，热量灵敏度6.7μV/J，由于从等离子体枪发射的等离子体速度方向是随机分布的，而环形热量计直径与等离子通道直径相同，测量范围覆盖了等离子体进入等离子体通道的全部区域，可以准确测量等离子体的温度和能量。圆柱形热量计11由直径47mm，长100mm，圆筒状且壁厚为0.3mm的铜箔制成，热量计的灵敏度为231μV/K，由于自等离子体通道发射出的等离子体主要分布于通道中心的均匀磁场区域，故采用直径较小的圆柱形热量计，以达到提高测量精度的目的。通道出口及磁阱中的热量计分布如图3所示。
图4等离子体在磁阱中填充过程电探针的安装位置。θ=0°为等离子体注入位置，12个探针位置安装如图，探针由直径为1.8mm和0.3mm的钨丝制成。图中R=0.28m所在圆周为磁阱线圈弱磁场区，若改变磁阱线圈中的电流大小，探针所在圆周半径要做相应的改变。可由两个探针信号的时间差测出等离子体的平均速度。通过探针确定等离子体在约束设备中的边界线。通过调整探针布置的方向，可调整收集表面平行或垂直方向的等离子流。
图5是测量装置整体结构示意图，利用各个测量模块的不同特点，有针对性的测取相应的等离子体参数，测量结果统一处理，保证了测量参数的准确性、全面性。

Claims (4)

1.一种佳拉洁雅型磁约束装置下等离子体参数测量装置，其特征在于：包括电探针测量模块（1）、磁探针测量模块（2）、热量计测量模块（3）、罗格夫斯基线圈测量模块（4）、信号采集模块（5）、信号处理模块（6）、PC显示模块（7），
电探针测量模块（1），包括12个钨丝制成电探针，电探针均匀分布于线圈磁阱内R=0.28m的圆周上，通过12个电探针获得的测量信号获取等离子体的填充时间及约束时间；
磁探针测量模块（2），将小探针线圈封入石英管内，然后插入等离子体中，分别用于测量通道磁场和磁阱线圈空间的磁场强度，对通道各组成部分磁场强度和过渡区的磁场强度进行测量；
热量计测量模块（3），包括环形热量计和圆柱形热量计，布置在等离子体通道的入口、出口及磁阱线圈的后侧，测量等离子体处于不同阶段的热量情况，反映等离子体的约束效果；
罗格夫斯基线圈测量模块（4），由400个线直径为7mm的线圈组成，线圈平均直径为60mm；
信号采集模块（5），能够将前述各个测量模块所测得的模拟量转换为数字量，再通过信号处理模块（6）做进一步的处理，反应出装置的运行情况，最后通过PC显示模块（7）将不同测量工具测得的结果显示出来。
2.根据权利要求1所述的测量装置，所述环形热量计置于等离子体枪出口和等离子体通道入口的中间，用于测量等离子体的初始温度，所述圆柱形热量计置于等离子体通道出口和磁阱线圈入口间的区域，用于测量等离子体自等离子体通道离开进入磁阱线圈之前的等离子体能量。
3.根据权利要求1所述的测量装置，所述罗格夫斯基线圈放置于A、B、C、D位置，A位于等离子体枪的两极之间，B、C、D三点距等离子体枪出口的距离为5cm、10cm、15cm。
4.根据权利要求1所述的测量装置，所述电探针测量模块（1）的探针由直径为1.8mm或0.3mm的钨丝制成。
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