（等离子体物理专业论文）east电磁测量诊断研究.pdf

摘要 摘要 托卡马克装置是目前发展比较成熟的磁约束受控热核聚变研究装置，成为 非常有希望建堆的装置之一。而电磁测量诊断作为获取托卡马克装置工程参数与 等离子体宏观信息的最基本而最有效的手段之一，在装置运行、等离子体放电参 数的控制以及物理诊断方面起着极其重要的作用。 本文的工作是围绕着e a s t 托卡马克装置的电磁测量诊断展开的。首先介绍 了对h t - 7 装置电磁测量系统进行的全面改造，准确提供了装置的电磁测量信号， 为h t - 7 装置的运行和物理分析提供良好的测量数据。其中包括：供给实时反馈 系统的等离子体电流，位移信号；供给装置运行保护的极向场电流信号；以及等 离子体内能，内感，m h d 不稳定性等一系列重要参数。这项改造工作同时也 是对e a s t 电磁测量系统进行的前期预演，对各种测量手段，材料，安装以及测 试进行了一系列的研究，在h t - 7 上积累了丰富的经验。 在此基础上，结合e a s t 装置的工程参数和物理目标，在借鉴参考国内外各 个装置的基础上，给出了e a s t 装置电磁测量系统的物理设计方案；根据物理设 计方案，结合e a s t 装置的主机结构特点，进行电磁测量系统的工程设计，探针 加工以及精确安装；并且设计出科学和完整的实验方案对整套探针系统进行严格 的定标，确保测量结果的真实与准确。 在e a s t 工程调试中，采用电磁测量探针信号在全超导托卡马克装置上对极 向场和纵场磁体的磁场场形进行测量，验证了e a s t 磁体的工程设计参数的准确 性；在e a s t 装置两轮等离子体放电运行中，电磁测量信号提供了大量准确可靠 的测量数据和分析结果，除了常规的等离子体电流，极向磁场和磁通，m h d 不稳 定性，等离子体内能等参数外，还对等离子体击穿时刻零场区进行分析，获得了 较低环电压下的击穿；采用e f i t 程序成功反演了平衡时刻的圆形和拉长偏滤器 位型下的等离子体位型。为装置的安全运行、等离子体控制和诊断系统提供了大 量的测量数据，为理解e a s t 装置等离子体物理现象提供了丰富的信息。 本项目由中国科学院知识创新工程重要方向项目支持，项目号： k j c x 3 s y w n 4 关键词：托卡马克装置，电磁测量诊断，信号平衡与反演，测量系统定标 摘要 a b s t r a c t m a g n e t i cd i a g n o s t i c ss y s t e mo ne a s t t o k a m a k s h e nb i a o ( p i a s m ap h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f w a nb a o - n i a n a so n eb a s i cp a r to ft h ep l a s m ad i a g n o s t i cs y s t e m so ne a s t ，t h em a g n e t i c d i a g n o s t i cs y s t e mi sv e r yi m p o r t a n tf o rt h em a c h i n eo p e r a t i o na n dt h ep l a s m ap h y s i c s r e s e a r c h t h et a s k so fm a g n e t i cd i a g n o s t i c sa r el i s ta sf o l l o w i n g ： m e a s u r e m e n to fb a s i cp l a s m ap a r a m e t e r ss u c ha sp l a s m ac u r r e n t ，l o o pv o l t a g e e q u i l i b r i u mp l a s m ac o n f i g u r a t i o nd e t e r m i n a t i o n m h d p h e n o m e n as t u d i e s f o re a s t ，b e i n gas i m i l a rm a c h i n et oi t e rw i t hf u l ls u p e r c o n d u c t i n gc o i l s ， t h e r ea r el o t so fd i f f e r e n c e sf r o mt h ec i r c u l a rc r o s s s e c t i o nt o k a m a ki nm a g n e t i c m e a s u r e m e n tt h a tw eh a v ed o n eb e f o r e t h em a g n e t i cd i a g n o s t i cs y s t e mh a db e e n d e s i g n e da n di n s t a l l e do ne a s ti na u g 2 0 0 6b e f o r ee a s t ”d a y - o n e ”p l a s m a t h e m e a s u r e m e n ts y s t e mi n c l u d e st h e m a g n e t i cp r o b e s ，r o g o w a s k yc o i l ，p o l o i d a l f l u x v o l t a g el o o p s ，d i a m a g n e t i cl o o pa n dh a l oc u r r e n tm o n i t o r b e f o r et h ee x p e r i m e n t ， a l lt h es e n s o r sa n di n t e g r a t o r sa r ec a l i b r a t e da c c u r a t e l yb yp fc o i l s p o w e rs u p p l i e s t h i se n s u r e se a c hs i g n a lt h ee n o u g hp r e c i s i o nf o r t h e m a g n e t i cc o n f i g u r a t i o n d e t e r m i n a t i o n s i n c e s e p 2 0 0 6 ，e a s th a se x e c u t e d i t sf i r s tt w oe x p e r i m e n t a l c a m p a i g n ss u c c e s s f u l l y i nb o t hc a m p a i g n s ，t h e m a g n e t i cd i a g n o s t i c sp r o v i d e d s u f f i c i e n tm e a s u r e m e n t sf o rt h ee f f i c i e n tm a c h i n eo p e r a t i o na n dp h y s i c a lr e s e a r c h f o raf u l ls u p e r c o n d u c t i n gt o k a m a k ，t h ep l a s m ab r e a k d o w ni sv e r ys e n s i t i v et ot h e e r r o rp o l o i d a lf i e l d b ya p p l y i n gav a c u u mv e s s e lc u r r e n tm o d e l ，w eo b t a i n e dt h en u l l f i e l dc o n f i g u r a t i o nf r o mt h em a g n e t i cs i g n a l si nb r e a k d o w ns t u d i e s a s s u m i n ga p o l y n o m i a lp l a s m ac u r r e n tp r o f i l e ，t h ee f i tc o d ei s u s e dt of i tt h i s p r o f i l ea n d d e t e r m i n et h em a g n e t i cc o n f i g u r a t i o ns u c c e s s f u l l yf r o mt h em a g n e t i cm e a s u r e m e n t s i nv a r i o u s p l a s m ad i s c h a r g e s i ne i t h e rl i m i t e do r l a r g ee l o n g a t i o n d i v e r t o r 摘要 c o n f i g u r a t i o n f r o mt h ed i a m a g n e t i cl o o p ，t h ep l a s m ae n e r g ya n d0 p i so b t a i n e da s w e l l k e y w o r d s ：e a s tt o k a m a k ，m a g n e t i cd i a g n o s t i c ，s y s t e mc a l i b r a t i o n ，e q u i l i b r i u m ， r e c o n s t r u c t i o no fp l a s m as u r f a c e ， i i i 声明 本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已 经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权 的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均 已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单 位。 本人签名：沈飙日期：2 0 0 7 6 7 第一章绪论 1 1 引言： 第一章：绪论 能源是现代人类文明得以维持和发展的基础。现代工业和现代生活所需要的 能源大部分来自地下的化石燃料一煤，石油和天然气。而这些经过数亿年到几十 亿年才形成的地下宝藏，以人类目前增长的消耗速度，将在百年内被开发殆尽。 核裂变能虽然在一定程度上可以解决能源危机，但地球上有限的燃料储量也不能 维持人类长期的需求，而且会产生安全以及核废料的环境污染等严重问题。聚变 能是目前所知唯一可行的解决人类未来发展问题的能源，它是通过氢的两种同位 素氘( d ) 和氚( t ) 在高温高压下发生聚变反应而产生的，而氘( d ) 在海水中 的含量丰富；氚( t ) 可以采用中子轰击锂获得，而锂在地球上特别在海洋中储 量很大。在这个意义上，聚变能可以说是取之不尽，用之不竭的。另外，和裂变 能和化石能源相比较，对环境的污染也要轻得多。因此，实现受控核聚变是人类 高效、安全地利用核能的最终目标，其中，托卡马克就是发展比较成功，研究比 较成熟，目前为止非常有希望建堆的装置之一。 中国的聚变研究经历了3 0 多年的发展，并取得了大量的成果，中国科学院 等离子体物理研究所目前拥有h t - 7 纵场超导托卡马克和e a s t 全超导托卡马克两 大实验装置，是国内以至国际上进行稳态高参数等离子体实验的良好平台。 在磁约束热核聚变实验装置托卡马克中，存在着很强的磁场，这些磁场是由 在外导体( 如纵场和极向场导体) 或等离子体本身流动的电流所产生的。在托卡 马克中，高温等离子体是通过等离子体与磁场之间的相互作用来约束的1 2 ，磁场 的位形决定了等离子体的宏观平衡和稳定性等【3 】，要了解托卡马克中等离子体的 运动规律，就必须首先研究其中的磁场的空间分布及瞬时变化规律。因此在托卡 马克等离子体的研究中，磁场的测量是装置运行最基本的条件之一，而电磁测量 诊断系统正是这样一种测量磁场及电磁过程简单而有效的工具，是获取托卡马克 装置工程参数与等离子体内部信息的最基本而最有效的手段【4 j 。 电磁测量诊断原理及功能 e a s t 电磁测量诊断研究 反映电磁现象本质的m a x w e l l 方程组和l 0 r e n t z 力公式，是电磁测量诊断 的物理基础：此外的一些物理现象与定律，在特定的场合，也能成为电磁诊断的 得力工具；再次，统计物理学的一些基本定律以及必要的数据采集和处理手段， 也为电磁测量诊断的实现提供了支持；准确可靠的诊断电子学，例如积分器，放 大器等也是电磁测量诊断必不可少的一部分。作为等离子体诊断的重要组成部 分，电磁测量诊断扮演了这样的角色： 测量等离子体宏观放电参数。 用于装置的运行和实时控制系统，如提供等离子体电流，位形，电流分布， 以及破裂等实时控制所需要的各类信号。 理解等离子体基本性质。 研究m h d 行为。 各种瞬态电磁现象以及各个场的电流和场形。 1 3 磁测量的实现方法【4 】【5 】 目前用于磁场测量方面的方法归纳起来有以下几种，它们各有特点，适应 于不同的场合。 1 、感应线圈方法 根据电磁感应定律，当空间磁通量发生变化，处于磁场当中的线圈会感应 出一定的电压，将该信号进行积分，就能够获得通过该线圈区域的磁通值。例如 单匝环信号经过积分可以获得极向磁通量。如果将一个小的螺线管线圈放置于测 量磁场中，当线圈面积已知，测量到的磁通值除以线圈感应面积，就可以获得线 圈面内的平均磁场，如果线圈体积远小于整个测量空间，就可以认为是空间点的 磁场值。等式( 卜1 ) 表示感应线圈两端的输出电压占与磁通变化率，以及与磁 场b 的变化率和感应线圈的有效感应面积s 。旷相关。 一掣d t 列鲁 s = 一- = 一6 。，二 ” d f 利用时间常数为r c 积分器对( 1 1 ) 两边进行时间积分，得到相对应的磁通量或 平均磁场值。 第一章绪论 w 卜夏1 。fe d t = 丢= 篙即) ( 1 - 2 ) 大多数托卡马克装置的电磁测量系统均采用感应线圈的方法进行测量，是目前电 磁测量诊断最常用的手段。 2 、霍尔探针 基于电磁感应原理的测量线圈只能用于变化的磁场，对于静态磁场而言( 例 如超导磁体和准稳态等离子体测量方面) ，霍尔元件体现了很强的优势。并且信 号不需要积分，避免了积分器等电子学方面带来的测量误差。 3 、其他方法 其他的方法还有诸如采用偏振光束在磁场中法拉第极化旋转效应( i t e r 考 虑过用此方法测量等离子体电流) ；电磁波在磁场中的干涉与散射、粒子束的注 入等等，均可以用于对磁场的测量，特别是对等离子体内部磁场的测量，但是在 一般意义上都不归纳在托卡马克电磁测量诊断之中。 1 4 在托卡马克装置上应用的电磁测量诊断种类及其基本原理 对于托卡马克等离子体来说，基本的电磁测量主要是由磁场检测线圈和磁通 检测线圈构成。通过不同的信号处理电路和数据处理方式对测量数据进行进一步 的处理从而获得所需的各种等离子体参数。主要有以下几种类型的测量线圈分别 用于测量装置不同位置的磁场和磁通值。它们在装置上分布如图卜l 所示【6 1 。 图1 - 1 、托卡马克装置上电磁测量分布示意图 磁场探针( 小探针) 由若干匝导线在一骨架上绕制而成，测量探针所在位置处磁场某一分量的时 e a s t 电磁测量诊断研究 间微商。在托卡马克上主要有两类，一类用于测量磁场，可以配合通量线圈测量 等离子体位形；另一类用于测量m h d 涨落。 根据式( 1 1 ) 和( 1 - 2 ) 的电磁感应原理，可以看出，感应电压大小由探针 的有效面积s 。矿决定，即探针的船值。探针测量有三方面的要求：为了使探针 测量能达到较高的灵敏度，要求探针船值尽量大；为了使空间分辨率高，要求 探针尺寸尽可能小；为了提高探针的时间响应，要求线圈匝数亦不宜过多或和 截面不能太小。这三者是构成一个互相矛盾的统一体，需要根据实际装置的情况 进行设计。图1 - 2 所示的即为磁场探针结构的一个例子，由若干圈导线在具有非 磁性材料骨架上绕制而成，各匝之间互相绝缘，在绕制线圈时，为了尽量减少引 出线所形成的杂散面积，引线的一端要经过回线槽和另一端合并或者正向绕一层 然后反向绕层回来【4 1 。 绝绦套 支缂智 缎蟹 辕出 图1 - 2 磁场探针示意图 通常将磁场探针序列沿等离子体的极向布置一周，用来测量极向各个点的磁 场值，结合磁通线圈的测量值共同计算等离子体的形状和位置。见图1 - 3 所示。 关联探针是一组沿极向均匀分布的小的磁场探针，类似与前面所提到的磁场 探针。由它们测出的极向磁场的时空分布，就可以推断等离子体表面电流的振荡 模式。不过这需要大量的探针和数据的存储和分析系统，需要对输出信号进行相 关分析或傅立叶分析【4 1 。 磁通线圈( 单匝环) 单匝导线无间断绕大环一周而成，测量极向磁通的变化率掣。将磁通变化 d t 率进行积分就可以得到该处的磁通量，假设在限制器处的磁通有v2 妙= 0 ，那么 可以通过在不同极向位置的磁通量和不同极向位置的磁场值b 共同来推导提 供等离子体最外层磁面的位置( 即等离子体表面) ，由此可以知道等离子体的位 4 第一章绪论 置和形状【7 1 。 图卜3 极向磁通线圈( p o l o i d a lf l u xl o o p s ) 示意图 罗柯线圈( r o g o w s k i 线圈) 罗柯线圈是测量强脉冲电流的有效工具，它是一个环绕待测电流的均匀密 绕环形螺线管线圈，并且加极向回线而成。主要用于测量等离子体电流值，以及 各个极向场线圈电流等，图1 - 4 是用罗柯线圈测量脉冲电流的示意图。 图1 - 4 罗柯线圈测量脉冲电流的示意图 待测的脉冲电流，在线圈周围空间产生瞬变的角向磁场，使穿过线圈的磁通产生 变化，从而在线圈两端产生感应电动势占，= 一拳警= 一手n 石d ( 彬，s ) ，其中日， 和矽，是对应罗柯第缝e 圈处的磁场强度和通过该线圈的磁通量；是介质的导磁 率，如果线圈是绕在非磁性材料上的话，则= 风。令，表示螺线管线圈的周长， 表示总匝数，由于线圈是均匀密绕的，所以胡2 专拼。又因为线圈的小截面 均为s 。并且处处垂直于讲，因此感应电动势可改写为一占，= 型竽面d ，= m 坐d t ， 式中互感系数m 是个常数( 掣) ，与，的空间分布无关，因此测出g ，的波形， e a s t 电磁测鼍诊断研究 再通过积分运算就可以得出，的波形。在托卡马克装置中，等离子体环电流是等 离子体的基本参数之一，从测量它的波形就可以大致判断高温等离子体中所发生 的一些基本过程。最主要的就是放电的稳定性，另外还可以结合环电压来估算等 离子体的电导率，从而根据s p i t z e r 等人的计算推导出等离子体的另一重要参数 电子温度。 逆磁线圈 由逆磁线圈和补偿线圈组成。逆磁线圈是由单导体在极向平面上绕等离子体 一周而成，补偿线圈是单导体在极向平面上沿极向绕制一周后在不同径向位置沿 反方向回绕一周而成，不包围等离子体。主要用于测量等离子体电流的逆磁通以 及值等。等离子体中的带电粒子在磁场中要作拉摩旋转，产生的磁矩 委胁v 上2 p = 年的方向总是反平行于原磁场，而与粒子电荷符号无关，所以等离子体 a 总是具有逆磁性。如果能够测出逆磁场或由逆磁场所产生的磁通变化，就可以求 得粒子的横向平均动能。例如在圆截面托卡马克装置中，根据等离子体小半径方 向的零级压力平衡方程，可以求出由于等离子体存在而产生的纵向磁场的磁通量 变化，从而求出有关等离子体平衡的一个重要参数岛( 角向压强比) 【4 1 。结合 切向和法向的磁场测量还可以求出等离子体的内感，进一步获得等离子体电流密 度的空间分布量等等一些等离子体的重要参数，而且该测量可以在整个放电过程 当中连续进行，因而它是一项重要的诊断手段。 鞍形( 局部通量) 线圈 鞍形主要作用有两类，一类用于测量等离子体位置和形状，另一类用于研究 锁模m h d 行为。 鞍形线圈主要用来测量局部极向磁场通量，对于真空室中由于加热、诊断等 窗口的限制不能安装整环的磁通线圈，为了弥补这方面的不足，可以用布置局部 鞍形线圈的方法来替代。这些线圈的测量信号经过积分运算，即可以得到局部的 极向磁通值，结合整环的磁通线圈和磁场探圈的信号，可以用于测量等离子体的 位置和形状，因此在等离子体位形的反馈控制当中起到一定的作用。 在理想的m h d 方程组中引入电阻率，就会出现电阻撕裂模这种不稳定性， 它有使等离子体理想的嵌套磁通面破碎为磁岛的倾向。这些磁岛随着电流在大环 6 第一章绪论 方向上螺旋运动。如果这些磁岛的宽度较小，约在等离子体半径十分之几以下， 而且没有增长的趋势，那么可以认为它是相对稳定的。正是这些螺旋电流所产生 的磁场扰动，成了可以用m i m o v 探针在等离子体边缘检测到的m i m o v 振荡心j 。一 旦这些磁岛出现变大或不规则的趋势，等离子体径向磁场就会逐渐增大，同时由 于等离子体旋转的因素，会在真空室上感应出相应的磁场，这两个磁场互相作用， 使得磁岛的旋转速度减慢，甚至停止，从而引起等离子体的破裂，这就是所谓的 锁模现象。如果在等离子体赤道面上沿大环方向均匀布置多组上下对称的鞍形线 圈，在发生锁模现象时，就可以利用这些探针得到锁模环向位置的信息，和测到 等离子体沿径向的磁场增大的趋势，同时在m i m o v 探针上相应位置振荡幅度逐渐 增大，而振荡频率逐渐降低，甚至停止，最后发生破裂【9 1 。见示意图1 - 5 。 图1 - 5 典型锁模现象示意图 其他磁测量 需要一些特殊的r o g o w s k i 线圈测量真空室涡流、刮削层电流和流向第一壁 的电流( h a l oc u r r e n t ) 。另外，对应于装置外部的每一个磁场线圈，如极向场线 圈，纵场线圈等等都应至少有一个r o g o w s k i 线圈测量外部场电流。 h a l o 电流是由于等离子体产生垂直位移事件( v d e ) 和电流淬灭现象，磁面快 速变化而产生的。因为等离子体电流淬灭时，能量迅速放出、电阻增大，而且大 于面对等离子体的部件及真空室结构材料的电阻，h a l o 电流即通过面对等离子体 的部件流入真空室，形成沿大环和小环方向的电流回路。处在纵向磁场中的真空 室和面对等离子体的部件因此而受到巨大的电磁力的作用，因而h a l o 电流对于面 对等离子体部件和真空室来说都是最危险的电流，必须对它进行实时监测。针 对e a s t 来说，初步估算一下h a l o 电流值最大可以达到等离子体电流值的4 0 ，其 7 e a s t 电磁测量诊断研究 带来的电动力可以达到1 0 6 牛顿量级，由此可见其对真空室及其部件的巨大危害 程度【1 0 1 。 表i - i 列举了国内外一些装置电磁测量系统的配置。 t o k a r n a k基本参数 电磁测量系统主要配置参数 d i i i d r 1 6 7 m 2 p o l o i d a l ( 58 ) ，1t o r o i d a l ( 8 ) m a g p r o b ea r r a y ( u s a ) a 户0 6 7 m4 1f l u xl o o p s b r 2 1 t 3 0s a d d l el o o p s i p 3 m a 9 d i a m a g n e t i c & c o m p e n s a t i n gc o i l s t ) s3 i pr o g o w s k ic o i l s j e tr 3 m i n s i d ev a c u u mv e s s e i ( e c ) a 1 1 m8s e t sp i c ku pc o i l sx1 8 b r 3 4 t o u t s i d ev a c u u mv e s s e l i r 3 7 m a f u l lf l u xl o o p sx7 , u s i n gg u i d et u b e 伊1 5 ss a d d l el o o p sx1 4 8s e t s d i a m a g n e t i s mo fc o m p e n s a t i n gc o i l s ， 1 3 pm e a s u r e m e n ta l s oo nb tc o i l s j t 6 0 ur 3 4 m4 r o g o w s k ic o i l s ( j a p a n ) a o 4 m1 5f l u xl o o p s b t - 4 2 t 17 + 17t a n g e n t i a lm a g n e t i cp r o b e s i p - - - 5 m a 16n o r m a lm a g n e t i cp r o b e s 2 d i a m a g n e t i cl o o p s k s t a rr 1 8 m 4 5f l u xi o o p s ( i n a o 5 m m a g n e t i cp r o b e s4 8x3 ( p 0 1 xt o r ) d e s i g n ) b t 3 5 t m h dc o i l s3 0 x2 + 2 0 i p - 2 m a 3r o g o w s k ic o i l s x - 3 0 0 s4l o c k e dm o d ec o i l s 3d i a m a g n e t i c & c o m p e n s a t i n gc o i l s s a d d l ec o i l s1 0 x4 v e s s e ls t r u c t u r ec u r r e n tm o n i t a l i t e rr 6 2 m t w o c o m p o n e n tm a g n e t i cp r o b e3 2x8 ( p o i xt o r ) ( i n a 2 0 m t w o c o m p o n e n tr o t a t i n g v i b r a t i n gp r o b e3 2x8 d e s i g n )i p - 9 1 2 m a m h d p r o b e s3 2x1 6 x - 2 0 0 0 s s a d d l el o o p s ( r a d i a lf l u x ) 3 2x16 p o l o i d a ll o o p s ( r a d i a ll o o p s ) 3 2x16 5 v o l t a g el o o p r o g o w s k ic o i l s1x1 6 d i a m a g n e t i cl o o p1x1 6 s u p e r c o n d u c t i n gd i a m a g n e t i cl o o p1x4 s c r a p e o f fl a y e rc u r r e n tm o n i t o r1x16 表1 - 1 国内外主要托卡马克装置电磁测量配置 从表中可以看出，目前世界各个装置的电磁测量系统主要特点在于安装大 第一章绪论 量的小探针序列和单匝环线圈，主要用于等离子体位形的精确反演和实时控制， 另外说明等离子体能量约束状况的逆磁测量也被放在比较重要的位置上。 1 5e a s t 电磁测量系统的特点以面临的挑战 随着我国聚变研究的发展，近年来陆续建成的一批核聚变实验研究装置 都取得了很好的实验研究成果。其中我所的h t - 7 超导托卡马克尤其以其具有低 温超导纵场磁体系统而倍受国内外聚变界的关注。按照常规托卡马克装置建堆， 不仅体积大、效率低，而且是脉冲运行。但是，一个经济实用的商用堆必须是高 效、紧凑和稳态运行的。超导托卡马克正是在这一点有着极大的优势，即可以稳 态运行。如果在超导托卡马克上实现了稳态运行又在稳态运行条件下大大改善了 约束，则将为未来稳态、先进聚变反应堆奠定工程技术和物理基础，意义十分重 大。因此为了更进一步发展、推进我国的聚变科学研究事业，探索非圆、大拉长 截面、稳态的等离子体实验控制技术，更深入研究全低温超导托卡马克实验装置 的设计、建造和实验技术，从而全面掌握托卡马克类核聚变实验装置各种技术， 我所在h t - 7 投入运行并取得良好实验结果的同时，适时提出建造“e a s t 全超导 托卡马克装置”的计划。所谓全超导意为构成托卡马克装置的全部纵场系统和极 向场系统都采用低温超导磁体组成。其结构如图卜6 所示】。 e a s t 装置总图 图1 - 6e a s t 装置总图 9 e a s t 电磁测量诊断研究 e a s t 不仅是一个全超导托卡马克而且具有会改善等离子体约束状况的大拉 长非圆截面的等离子体位形，能在装置上对建造稳态先进的托卡马克核聚变堆的 前沿性物理问题开展探索性的实验研究，为未来稳态、安全、高效的先进商业聚 变堆提供物理和工程技术基础。它的建成使我国成为世界上首个拥有全超导托卡 马克装置的国家，具有十分重大的科学意义。装置的基本技术参数如下所示【l 2 】： 可稳态运行的超导托卡马克e a s t 装置主机，该实验装置的主要设计参数： 超导纵场场强b t = 3 5 t ；等离子体大半径r = 1 7 5 m ： 等离子体小半径a = 0 4 m ：等离子体拉长比k = b a = 1 6 2 ： 加热场最大磁通变化能力= ( 8 1 0 ) v - s ； 等离子体电流i p = 1m a 可稳态运行的低混杂波驱动等离子体电流系统( l h c d ) ，基本参数： 总功率p = 3 5m w ；工作频率f 0 = 2 4 5g h z ，3 7g h z 可连续运行的离子回旋波加热系统( r c r f ) ，基本参数： 总功率p = 3 3 5m w ；工作频率f 0 = 3 0 1 1 0m h z 可保证e a s t 基本运行和实验的其它工程系统：如低温、诊断、电源、真空、 计算机控制、数据采集和处理、水冷系统等，这些子系统的也都毫无疑问必 须满足e a s t 超导托卡马克装置稳态运行的要求。 针对以上所描述的e a s t 装置的特点，电磁测量诊断需要面对以下这几个方面 的挑战【1 3 1 【1 4 】【1 5 】： 1 、长脉冲高参数的放电在内真空室中( 特别是第一壁上) 产生比较高的温度， 对探针的材料在高温高真空的环境下工作提出了很高的要求； 2 、由于电磁测量采用积分求磁通的方法，长脉冲运行必须采用长时间低漂移的 电路实现积分运算，一个小的漂移经过长时间的积分会带来巨大的误差： 3 、长脉冲放电要求很高的等离子体位形控制精度，因此，必须要有很高精确度 的电磁测量系统才能反演出对应的等离子体位形； 4 、另外需要注意的是真空室中强烈的辐射效应也会对安装在其中的电磁测量探 针的测量结果产生一定的影响，主要体现在辐射引起的导线电导率的变化、 辐射感应出的电动势以及辐射引起绝缘强度的减小。 这些问题在常规短脉冲放电的装置中可以忽略，但是随着磁约束聚变研究的 深入，装置物理与工程参数在不断地提高，技术上也有不断的创新，对于e a s t l o 第一章绪论 这样高功率，长脉冲运行的装置，必须认真地对待所述问题，才有可能获得准确， 可靠的测量结果。目前，对于电磁测量这项基本的诊断系统来说，也需要根据装 置的进步，不断改进和提高各个方面的技术要求，将诊断与装置运行紧紧结合起 来，不断向前发展，主要表现在： 各个方面如高低温环境、辐射场、准稳态磁场、长脉冲放电等对电磁测量 提出了新的要求； 站在平衡分析与分布特性重建的高度，总体上把握理解实验： 并为设计新的磁约束装置及其上的电磁诊断系统提供了可靠而全面的依 据，达到简单、有效、经济的目的( 一体化优化设计) ； 为达到实时处理，而在物理模型上作适当的、必要的简化，加上电子学和控 制方面的发展，已大大提高了托卡马克的运行技术； 1 6 本项工作内容及目的 本文的工作是围绕着e a s t 托卡马克装置的电磁测量诊断展开的。第一部分 内容首先介绍对h t - 7 装置电磁测量进行全面的改进，准确地给出了h t - 7 装置所 需等电磁信号以及离子体的宏观参数，为h t - 7 装置的运行提供良好的测量数据。 同时也是在h t - 7 上进行e a s t 电磁测量系统的前期预演，对各种测量手段，材料， 安装以及测试进行了一系列的研究； 第二部分内容针对e a s t 装置的工程参数和物理目标，给出了e a s t 装置电磁 测量系统的物理设计方案；根据物理设计方案，结合e a s t 装置的主机结构特点， 进行电磁测量系统的工程设计，探针加工以及精确安装；并且整套探针系统进行 严格的定标。 第三部分介绍了电磁测量系统在e a s t 场形测量和等离子体放电实验中的测 量结果。在场形测量实验中，验证了e a s t 磁体的工程设计参数；在e a s t 装置两 轮等离子体放电运行中，电磁测量系统为装置的安全运行、等离子体控制和物理 分析提供了大量准确可靠的测量数据和分析结果，并采用e f i t 程序成功反演了 平衡时刻的圆形和拉长偏滤器位型下的等离子体位型。 e a s t 电磁测量诊断研究 第二章：h t - 7 电磁测量诊断系统的实现以及e a s t 的预演 2 1h t - 7 超导托卡马克装置概况： h t 7 超导托卡马克装置是我国目前正在运行的超导磁约束聚变实验研究 装置，其主要任务是研究托卡马克准稳态运行条件下相关物理和工程问题。整个 装置系统由双层真空室、超导环向磁体及冷屏、水冷极向场线圈，电源、低温、 真空、诊断、采集与控制、波加热与驱动等组成。装置的典型工程与物理运行参 数如下表2 - 1 所示 1 6 】： 表2 - 1h t 7 装置主要参数 大半径1 2 2 m 小半径2 7 c m 纵场强度2 5 t 最大等离子体电流 2 5 0 k a 密度 ( 0 5 6 5 ) 10 1 9 m 3 位型 圆形，限制器 变压器伏秒数1 7 v 木s 加热及驱动 l h c d ，i c r h 等离子体放电时间0 3 0 0 s 自从1 9 9 4 年首次实现等离子体放电以来，在各个系统不断改进的基础上， 放电状况不断得到改善，等离子体参数不断提高。到2 0 0 5 年底，获得了3 0 2 秒 的长脉冲等离子体放电。近年来，h t - 7 超导托卡马克主要研究领域涉及到：高 参数、长脉冲、稳态运行、改善约束、低混杂波和离子回旋波协同效应、以及第 一壁处理技术等领域。 经过多年的发展，h t 7 装置上的诊断系统也有了较大的发展。到目前为止， 已经具备的诊断系统有：电磁测量、远红外干涉仪、电子回旋辐射、类辐射量热、 软x 射线、硬x 射线、光谱、静电探针、汤姆逊激光散射等。 h t _ 7 的电磁系统主要包括变压器铁芯、超导纵场线圈绕组、水冷极向场线 罔绕组及其电源与控制系统、真空室和等离子体。结构如图2 1 所示： 1 2 第二章：h 7 电磁测量诊断系统的实现以及e a s t 的颅演 图2 - 1 h t - 7 托卡马克装置示意图 其中：1 ；2 ；3 一垂直场线圈；4 一欧姆场线圈；5 一偏磁场线圈；6 一水平 场线圈；7 一等离子体；8 一内真空室；9 一外真空室；1 0 一铁芯； 2 2h t - 7 超导托卡马克电磁测量系统改造的原因及其意义： h t - 7 电磁测量系统与主机同时于1 9 9 4 年建成，从等离子体位形以及物理研 究方面考虑，电磁测量探圈应该尽量地靠近等离子体才能够更加精确地测量相应 的参数；但是在当时的条件下，还未掌握相关的技术和工艺可以解决电磁测量符 合高真空、高热负荷等一系列问题，考虑到放入真空室内的探针直接面对等离子 体首先会对探针产生致命的损坏，同时探针在高温烘烤，粒子轰击的条件下会释 放出大量的杂质，对放电有着非常不利的影响；另一方面，由于h t - 7 是限制器 条件下圆形的等离子体位形，对位形反演的要求相对来说低一些。因此大多数的 测量线圈均布置在内真空室与内氮屏之间的狭小夹层当中。此狭小夹层中有大量 的支撑结构，出入水管等部件，而且尺寸狭小，温差巨大，对电磁测量系统的安 装及测量精度有很大影响。 h t 7 装置经过多年的实验和改造，放电参数有了极大的提高，对各种诊断 的要求也在不断地上升，以满足高参数，高约束，长脉冲等物理实验的要求。在 电磁测量诊断方面，原来的系统( 1 7 】也已经远远不能满足实验的要求，体现在以下 几个方面的缺陷： 在内真空室与内氮屏之间的狭小夹层当中，真空室的烘烤温度高于1 0 0 ， 而内氮屏的温度接近零下2 0 0 c ，巨大的温差达到3 0 0 c ，很多探圈在多次 局部不均匀的热胀冷缩过程中出现探针绕线或引线折断等现象。 从实验测量以及反演的方面来说，探针应该尽量靠近等离子体，而对于h t - 7 e a s t 电磁测量诊断研究 来说，等离子体小半径为0 2 7 m 。而内真空室与内氮屏之间的夹层位置大约 在0 4 m 左右，探圈位置距离等离子体位置相对较远，感应的信号较小，要 获得较高的灵敏度和较高的测量精度比较困难。 作为一个完整导体的内真空室以及内氮屏等对测量探针起到了一个很强的 磁场屏蔽作用等，使得探针的频率及幅值响应下降，响应时间延时，在等离 子体参数变化的情况下由于真空室和铜壳带来较大的测量误差。 装置放电所带来震动也会引起探针位置的移位或信号线的折断。 由于内外真空室是一次性装配成功，无法将内真空室与内氮屏拆开对安装在 其狭小夹层当中的电磁测量系统进行修复。 特别需要强调的是在h t _ 7 高参数的运行中，等离子体内能和内感的测量是 反映等离子体电流分布以及能量约束等重要特性的基本手段，而等离子体逆磁通 信号值非常小，对安装位置的精确度以及杂散磁场的干扰方面特别敏感。由于以 上所述原因，在真空室和内氮屏中安装的原来的测量系统由于根本无法获得这方 面的有效信号。 对于e a s t 这样全超导非园截面的大型托卡马克装置，真空室的厚度达到8 毫米，将采用先进的等磁面控制的手段实现对等离子体位形的实时控制，实现高 参数，长脉冲的放电运行模式，作为位形反演手段的电磁测量系统必须保证足够 的测量精度，才能够很好地实现对等离子体电流、位形的反馈控制。在这样的条 件下，无论从装置运行和物理实验的角度出发，e a s t 电磁测量必须安装在真空 室内部，才能达到良好的测量效果。所以在h t - 7 装置这样一个很好的平台上进 行e a s t 电磁测量的预演，对e a s t 电磁测量系统后面的设计，加工，安装以及 测量均有十分重要的价值。因此，对h t 7 装置电磁测量系统进行改造升级的工 作同时也是为e a s t 装置电磁测量系统进行一次很好的前期预演。 鉴于以上所述的两方面原因，第一，旧的h t - 7 电磁测量诊断系统已经远远 不能满足装置运行，特别是目前稳态，高约束物理实验的需求：第二，结合e a s t 的需要，在h t - 7 装置上进行前期的预演。h t - 7 装置电磁测量系统的改造方案是 在全面总结和分析了原有测量系统的优缺点的基础上，结合实际情况，在h t 7 装置上建立一套全新的电磁测量系统。 1 4 第二章：m ：7 电磁测量诊断系统的实现以及e a s t 的预演 2 3i t t - 7 电磁测量系统改造方案的实现 h t - 7 装置具有内外真空室，铜壳，氮屏等厚壁，对于电磁测量信号具有很 大的影响，为了达到精确测量的目的，不能采用常规托卡马克在真空室外安装电 磁测量探针的方法，这对电磁测量提出了更高的要求。因此，我们采取在内真空 室直接面对等离子体的壁上安装电磁测量探针。内真空室处于高温，高真空，并 且直接面对高温等离子体的轰击，对于探针及引线的材料，安装工艺，信号引出 等都提出了严格的要求。h t - 7 电磁测量系统改造的关键问题有以下几点： 能够满足内真空室高温，高真空及高温等离子体轰击的电磁探针材料的选用 以及可靠的信号引出。 对探针的加工，制作和安装具有严格的精度要求，需要克服真空室空间小， 定位难等问题。 逆磁克服测量中信号小，信噪比比较低等缺点，提高逆磁线圈的安装的工艺 精度，扣除其他场如极向场，纵场等的杂散磁场对信号的影响， 对长时间的信号积分器进行改进和时间常数等严格标定。 根据装置运行和物理实验的要求，h t 一7 电磁测量系统的配置如下表2 - 2 所示， 所有的安装位置见h t - 7 大环分布图2 - 2 。所有线圈沿大环1 8 0 度对称。 表2 - 2h t - 7 装置电磁测量系统主要配置 探针名称：用途数量位置 罗柯线圈测量等离子体电流 2 环向1 8 0 度对称 局部单匝环测量位移 4 1 4 大环 小探针序列( 1 )测量极向磁场及m h d 1 2 木2 沿极向均匀分布 极向环向 环向两组1 8 0 度对称 小探针序列( 2 )测量环向模数 7 沿大环分布 逆磁及补偿测量逆磁通 2 环向1 8 0 度对称 e a s t 电磁测量诊断研究 图2 - 2h t 一7 装置平面及电磁测量安装平面图 2 4 探针制作安装过程 2 4 1 电磁测量探针材料的选取 良好的真空条件是托卡马克装置运行的基础，对真空室整体进行烘烤是真空 处理的手段之一，一般情况下，h t - 7 装置的真空室以及内衬结构需要烘烤到2 0 0 度左右，而e a s t 的真空室和内部结构将会烘烤到2 5 0 度到3 5 0 度，以最大限度 地去除真空室壁上、内部结构以及第一壁上的水分杂质。所以对于安装在真空室 内部的电磁测量系统来说，在探针骨架以及绕线、引线材料选取方面需要有以下 两点基本考虑： 首先，要满足真空室内高温高真空的环境，也就是说，探针在真空室中在