一种等离子体电磁特性诊断用电磁复合探针

摘要

本发明提供了一种等离子体电磁特性诊断用电磁复合探针，包括双探针对、悬浮电位探针、马赫探针对和磁探针；磁探针用于测量等离子体局域径向、极向和环向三维磁场；马赫探针对分设于磁探针两侧，并沿磁场环向布置；悬浮电位探针设于磁探针一侧，沿电场极向和径向布置；双探针对设于磁探针一侧；磁探针一侧呈阶梯状，马赫探针对的一个马赫探针和两根悬浮电位探针均位于靠近磁探针的阶梯上端面上，双探针对和第三根悬浮电位探针均位于远离磁探针的阶梯下端面上。采用本方案，可用于同时测量等离子体同一局域位置的离子饱和流、电子温度、密度、等离子体电位、径向电场、极向电场、环向马赫数、径向磁场、极向磁场和环向磁场。

说明书

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电磁特性诊断用电磁复合探针。

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(>10

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，对离子饱和流、电子温度、密度、等离子体电位、径向电场、极向电场、环向马赫数、径向磁场、极向磁场和环向磁场的一一测量过程，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电磁特性诊断用电磁复合探针，采用本方案，可用于同时测量等离子体同一局域位置的离子饱和流、电子温度、密度、等离子体电位、径向电场、极向电场、环向马赫数、径向磁场、极向磁场和环向磁场，且为阶梯状布置，可同时对不同的空间位置进行测量，极大的缩小了在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：一种等离子体电磁特性诊断用电磁复合探针，应用于托卡马克磁约束核聚变实验装置上，包括双探针对、悬浮电位探针、马赫探针对和磁探针；

所述磁探针用于测量等离子体局域径向、极向和环向三维磁场；

所述马赫探针对分设于磁探针两侧，并沿磁场环向布置；

所述悬浮电位探针为三根，三根所述悬浮电位探针均设于磁探针一侧，三根所述悬浮电位探针沿电场极向和径向布置；

所述双探针对设于磁探针一侧，用于测量对地电压和等离子体饱和离子流；

所述磁探针一侧呈阶梯状，所述马赫探针对的一个马赫探针和两根悬浮电位探针均位于靠近磁探针的阶梯上端面上，所述双探针对和第三根悬浮电位探针均位于远离磁探针的阶梯下端面上。

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I

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V

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I

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C

在磁测量上采用典型米尔洛夫磁探针，根据电磁感应原理，由螺线管测量到的电压等于通过螺线管磁通量的变化率V＝dB/dt反演磁场变化。

本方案中电磁复合探针由台阶式的静电探针阵列以及磁探针构成，其中台阶式的静电探针阵列包括双探针对、悬浮电位探针和马赫探针对，马赫探针对的两根马赫探针分设于磁探针两侧，并沿托卡马克环向布置，其中双探针对和悬浮电位探针均位于磁探针一侧，且呈阶梯状分布，靠近磁探针一侧的阶梯上端面上设置有马赫探针对的一个马赫探针和两根悬浮电位探针，其中马赫探针位于两根悬浮电位探针之间，而远离磁探针一侧的阶梯下端面上设置有双探针对和第三根悬浮电位探针，其中第三根悬浮电位探针位于双探针对之间。

其中极向分布和径向分布的三根悬浮电位探针测量等离子体局域径向电场和极向电场；一对双探针对结合悬浮电位探针测量局域等离子体密度和电子温度；环向分布的马赫探针对测量等离子体局域环向旋转，磁探针测量等离子体局域径向、极向、环向三维磁场；结合台阶式静电探针阵列和磁探针测量同一局域位置电磁湍流参数。

进一步优化，所述磁探针为三维米尔洛夫磁探针，所述三维米尔洛夫磁探针包括分别沿径向、极向和环向缠绕的螺旋管，所述三维米尔洛夫磁探针为两个，两个所述三维米尔洛夫磁探针沿径向排列。

本方案具体运作时，其中磁探针为三维米尔洛夫磁探针，由两组径向、极向、环向三个方向螺线管构成，螺旋管缠绕在一个氮化硼柱体上，每一组三维米尔洛夫磁探针由三种方向螺线管绕在同一氮化硼柱体不同方向上构成，两组三维米尔洛夫磁探针径向排列。

进一步优化，还包括绝缘支撑体，所述绝缘支撑体端部带有凸起，所述磁探针设于凸起内部，所述绝缘支撑体上带有多个沉孔，多个所述沉孔分设于凸起两侧，所述马赫探针对、悬浮电位探针和双探针对均穿插于不同沉孔中。

本方案具体运作时，还设有绝缘支撑体，绝缘支撑体的前端带有长方体凸起，将磁探针放置于长方体凸起内部，长方体凸起两侧的绝缘支撑体上带有多个沉孔，沉孔和马赫探针对、悬浮电位探针与双探针对的位置一一对应，使探针均穿插在一一对应的沉孔中，其中绝缘支撑体使每个探针之间相互绝缘。

进一步优化，所述绝缘支撑体采用氮化硼。

进一步优化，还包括石墨护套，所述石墨护套套设于绝缘支撑体，所述石墨护套的尺寸和绝缘支撑体的尺寸相适配。

本方案具体运作时，还设有石墨护套，石墨护套将绝缘支撑体套设在内，磁探针、绝缘支撑体和石墨护套从内到外依次嵌套设置，石墨护套前端也带有长方体凸起，其尺寸和绝缘支撑体的尺寸相适配，石墨护套主要用于屏蔽外界等离子体。

进一步优化，所述石墨护套端部带有多个通孔，所述马赫探针对、悬浮电位探针和双探针对均穿过沉孔和通孔。

本方案具体运作时，在石墨护套前端的长方体凸起两侧带有多个通孔，通孔和沉孔的位置一一对应，使马赫探针对、悬浮电位探针和双探针对均穿过沉孔和通孔，且所有探针的针头均超出通孔，位于石墨护套前端外部。

进一步优化，所述石墨护套端部一侧带有和所述磁探针一侧阶梯状相适配的台阶。

本方案具体运作时，为匹配磁探针一侧阶梯状的空间位置，石墨护套端部一侧也带有和磁探针一侧阶梯状相适配的台阶，使阶梯上端面和下端面上的探针针头均能超出通孔，并同时对不同的空间位置进行测量。

进一步优化，所述马赫探针对的针头突出石墨护套部分的几何中心和磁探针的几何中心位于同一径向位置。

进一步优化，所述阶梯上端面的所有探针针头的几何中心和磁探针的几何中心均处于同一平面。

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一侧连接。

本发明具有以下有益效果：

本方案提供了一种等离子体电磁特性诊断用电磁复合探针，采用本方案，可用于同时测量等离子体同一局域位置的离子饱和流、电子温度、密度、等离子体电位、径向电场、极向电场、环向马赫数、径向磁场、极向磁场和环向磁场，且为阶梯状布置，可同时对不同的空间位置进行测量，极大的缩小了在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电磁特性诊断用电磁复合探针的结构示意图；

图2为本发明提供的一种等离子体电磁特性诊断用电磁复合探针-绝缘支撑体的结构示意图；

图3为本发明提供的一种等离子体电磁特性诊断用电磁复合探针-磁探针的结构示意图。

图中附图标记为：1-双探针对，2-悬浮电位探针，3-马赫探针，4-磁探针，5-石墨护套，6-不锈钢支撑体，7-绝缘支撑体。

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至图3所示，一种等离子体电磁特性诊断用电磁复合探针，应用于托卡马克磁约束核聚变实验装置上，包括双探针对1、悬浮电位探针2、马赫探针3对和磁探针4；

所述磁探针4用于测量等离子体局域径向、极向和环向三维磁场；

所述马赫探针3对分设于磁探针4两侧，并沿磁场环向布置；

所述悬浮电位探针2为三根，三根所述悬浮电位探针2均设于磁探针4一侧，三根所述悬浮电位探针2沿电场极向和径向布置；

所述双探针对1设于磁探针4一侧，用于测量对地电压和等离子体饱和离子流；

所述磁探针4一侧呈阶梯状，所述马赫探针3对的一个马赫探针3和两根悬浮电位探针2均位于靠近磁探针4的阶梯上端面上，所述双探针对1和第三根悬浮电位探针2均位于远离磁探针4的阶梯下端面上。

其中马赫探针对3：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I

悬浮电位探针2：探针悬浮置于等离子中，其对地电位为悬浮电位V

双探针对1：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I

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C

在磁测量上采用典型米尔洛夫磁探针4，根据电磁感应原理，由螺线管测量到的电压等于通过螺线管磁通量的变化率V＝dB/dt反演磁场变化。

本实施例中，电磁复合探针由台阶式的静电探针阵列以及磁探针4构成，其中台阶式的静电探针阵列包括双探针对1、悬浮电位探针2和马赫探针3对，马赫探针3对的两根马赫探针3分设于磁探针4两侧，并沿托卡马克环向布置，其中双探针对1和悬浮电位探针2均位于磁探针4一侧，且呈阶梯状分布，靠近磁探针4一侧的阶梯上端面上设置有马赫探针3对的一个马赫探针3和两根悬浮电位探针2，其中马赫探针3位于两根悬浮电位探针2之间，而远离磁探针4一侧的阶梯下端面上设置有双探针对1和第三根悬浮电位探针2，其中第三根悬浮电位探针2位于双探针对1之间。

其中极向分布和径向分布的三根悬浮电位探针2测量等离子体局域径向电场和极向电场；一对双探针对1结合悬浮电位探针2测量局域等离子体密度和电子温度；环向分布的马赫探针3对测量等离子体局域环向旋转，磁探针4测量等离子体局域径向、极向、环向三维磁场；结合台阶式静电探针阵列和磁探针4测量同一局域位置电磁湍流参数；其中双探针对1、悬浮电位探针2、马赫探针对3结构相同，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，其中磁探针4为三维米尔洛夫磁探针4，由两组径向、极向、环向三个方向螺线管构成，螺旋管缠绕在一个氮化硼柱体上，每一组三维米尔洛夫磁探针4由三种方向螺线管绕在同一氮化硼柱体不同方向上构成，两组三维米尔洛夫磁探针4径向排列，三维米尔洛夫磁探针，其中螺旋管由三组参数为：8mm～15mm×8mm～15mm,10～50匝的螺线管按三维方向分别绕制组合。

本实施例中，还设有绝缘支撑体7，绝缘支撑体7的前端带有长方体凸起，其中绝缘支撑体7呈长方体结构，长100～150mm，宽20mm～50mm，高14mm～20mm；前端的长方体凸起长10mm～12mm，凸出宽10mm～12mm，凸出高14mm～20mm；磁探针4内置于长方体凸起中。支撑绝缘体7前端在长方体凸起部两侧，分别布置1个和6个沉孔，沉孔直径2mm～4mm，深度10,mm～25mm，与双探针对1、悬浮电位探针2和马赫探针对3连接，沉孔和马赫探针对3、悬浮电位探针2与双探针对1的位置一一对应，使探针均穿插在一一对应的沉孔中，其中绝缘支撑体7使每个探针之间相互绝缘。

本实施例中，所述绝缘支撑体7采用氮化硼。

本实施例中，还设有石墨护套5，石墨护套5将绝缘支撑体7套设在内，磁探针4、绝缘支撑体7和石墨护套5从内到外依次嵌套设置，石墨护套5前端也带有长方体凸起，其尺寸和绝缘支撑体7的尺寸相适配，石墨护套5主要用于屏蔽外界等离子体。其中石墨护套呈长方体结构，长100～150mm，宽24mm～54mm，高16mm～22mm；前端有长方体凸起，凸起长10mm～12mm，凸起宽12mm～14mm，凸起高16mm～22mm。

本实施例中，石墨护套5前端在长方体凸起部两侧，分别布置1个和6个通孔，与氮化硼绝缘支撑体7的沉孔位置一一对应，通孔直径2mm～4mm，使马赫探针对3、悬浮电位探针2和双探针对1均穿过沉孔和通孔，且所有探针的针头均超出通孔，位于石墨护套5前端外部。

本实施例中，为匹配磁探针4一侧阶梯状的空间位置，石墨护套5端部一侧也带有和磁探针4一侧阶梯状相适配的台阶，其中拥有6通孔一侧呈阶梯型分布，阶梯高度1.5～3.5mm，使阶梯上端面和下端面上的探针针头均能超出通孔，并同时对不同的空间位置进行测量。

本实施例中，所述马赫探针3对的针头突出石墨护套5部分的几何中心和磁探针4的几何中心位于同一径向位置。

本实施例中，所述阶梯上端面的所有探针针头的几何中心和磁探针4的几何中心均处于同一平面。

本实施例中，还包括不锈钢支撑体6，所述不锈钢支撑体6和石墨护套5一侧连接。

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。