哈工程核学院第一个课程设计 诊断

1、等离子体诊断等离子体诊断1、诊断的意义 等离子体，特别是聚变等离子体，是一个多自由度的复杂系统。其特征不能用一些参数简单表示，而且参数的测量也存在一些复杂因素。因此，在等离子体研究中，相应于测量的概念是诊断，其意义较测量广泛，包括对数据的分析及对集体运动模式的探测。 以温度测量而言，有多种方法，如 Thomson 散射、回旋辐射、轫致辐射、X射线能谱、电导率测量等。测量结果往往是不一致的，而且不能确定哪一结果是“正确”的。只能在表述这些结果时，标明是哪种方法得到的。原因：u除去各种诊断方法可能有我们无法准确控制的系统误差以外，还因为我们对这种方法所根据的物理模型有某种保留态度，即该模型是否适用

2、于当前的等离子体。u而更根本的原因是，在聚变等离子体中，电子温度往往和离子温度差异很大。而且，在磁约束装置中，粒子分布函数或温度往往是各向异性的。u再者，由于不同的加热手段的施行，粒子速度可能是非Maxwell 分布的，用两个温度，甚至三个温度来描述可能更恰当。诊断的主要任务是：1、研究建立稳定等离子体的方法及磁流体不稳定性；2、决定能量和粒子约束时间及输运系数；3、发展辅助加热方法；4、探究和控制等离子体杂质；5、研究等离子体涨落以确定对等离子体输运的影响。可根据不同的标准对诊断进行分类，例如：根据被探测物理量，如电子温度Te,电子密度ne,离子密度Ti等。根据所探测区域，可分为核心区，边界

3、区和固体表面。根据测量原理，如电磁波散射，电磁辐射等。根据具体测量技术，如激光，微波，光谱，固体探针等。主要物理研究课题和相应的诊断项目 诊断的首要功能当然是为物理研究提供必要的数据。但在装置的实际运行中，它还为装置的控制和安全运行提供数据进行保障。最重要物理量和诊断方法其中q(r)，V(r)，Ip，UL，x，分别为安全因子轮廓、旋转速度轮廓、等离子体电流、环电压、水平位移、比压。2，诊断方法数据采集 对于诊断数据的采集一般安排如图所示。多数探测器将所探测的物理量转变为电信号。电信号在传播过程中要经过光电隔离器。该器件由发光二极管和光电二极管及相应线性放大电路构成，可对电信号进行隔离，一般耐压

4、几十kV 以上。隔离的目的，一是防止干扰，二是避免可能的高电压传到测量室。信号在测量室内经模数转换，输入到计算机。诊断数据处理 托卡马克诊断中的一个重要问题是空间分辨。由于高温的核心部分不能插进任何固体探针，主要诊断只能采取非接触测量，所接受信号往往是空间积分量。 常用的数据处理方法有：Abel变换；层析；最大熵方法。一、磁测量 磁探圈又称磁探针，是一个小回形线圈一般为多匝。当通过的磁通发生变化时，就在探圈输出端产生电动势d / dt。在线圈足够小时，可认为所包容的磁场近似均匀，得到输出电压为其中 N 为线圈匝数，S 为每匝面积探圈的要求： 1，要有高的灵敏度。这要求线圈的匝数多，面积大，即大

5、的NS 值； 2，要对等离子体干扰小，如果放在真空室内的话。要有好的空间分辨率。这又要求线圈的体积小； 3，要有快的响应时间。这要求匝数少。ddBVNStC1：逆磁探圈C2：Rogowski 线圈C3：环向回线C4：Mirnov 探圈C5：小磁探圈几种主要用于托卡马克的磁探圈1、逆磁线圈（C1），用于测量等离子体柱的逆磁效应以决定极向比压值；2、Rogowski线圈（C2）输出信号经积分后可以得到脉冲电流值I。这一种线圈主要用于测量等离子体的总环向电流。3、小磁探圈（C5），测量等离子体位移，用于决定等离子体的位置。4、Mirnov 探圈（C4）主要也探测极向磁场，有时也探测径向磁场，反映的是

6、等离子体的磁流体活动。5、在极向不同位置布置的环向回线（C3）所测量的是通过不同位置大环的总磁通变化，积分后为总磁通。二、静电探针 是一根难熔金属（钨、钼、钽）丝或棒，外面一般用陶瓷管套上，仅留一小段暴露于等离子体。使用时，探针心加一直流电压，真空室壁及屏蔽管接地。测量所加电压和通过电流，对所加电压进行扫描可得到I-V 特性曲线。l 当所加偏压很正时，探针周围形成电子鞘层，离子流不能达到探针，只存在电子流。l 当所加偏压数值较低时，探针收集电流为电子电流和离子电流之差。l 当所加电压逐渐从很大的正值减小时，电子电流不再饱和，这一点可定为等离子体电位。 l 探针特性曲线左方，相应于电压很负的情况

7、，属于离子饱和流。l 从静电探针测量不能得到离子温度。l 还有双探针和三探针等。 三、辐射测量 等离子体的辐射探测，特别是光学波段的发射光谱诊断，是发展比较早的诊断项目之一。从等离子体中发射的光谱由连续谱和线状谱构成，包含非常丰富的物理内容。 从等离子体的辐射机制来看，从电子在跃迁前后的状态可分类为： 自由态自由态：轫致辐射、回旋辐射 束缚态束缚态：线辐射 自由态束缚态：复合辐射、双电子辐射 其中轫致辐射、复合辐射和双电子辐射是连续谱，回旋辐射和线辐射是线状谱。复合辐射和双电子辐射有时合称复合辐射。 使用对数坐标表示时，其功率谱应为一直线，其斜率为 h / kT e ，可以在不作光强绝对测量时

8、计算电子温度，也无须定标。 轫致辐射是带电粒子加速（减速）时的辐射，是一种连续辐射。在等离子体中，主要是电子与离子碰撞造成的轫致辐射。n 线辐射来自电子能级间的跃迁。从线状谱线可以确认杂质的种类。但要做到定量计算或测量，须知电离态平衡的模型。n 一般等离子体有两种平衡模型：日冕模型和局部热平衡模型。在两个模型中，都是靠电子碰撞达到向高电离态跃迁的。但在日冕模型中，是靠无碰撞的自发辐射实现向低电离态跃迁，而在局部热平衡中，靠碰撞复合实现向低能态跃迁。托卡马克一般满足日冕模型的要求。n 在日冕模型下，不同电离态的分布，以及几种主要辐射功率的贡献（除去回旋辐射）都只与电子温度有关。四、折射率测量干涉仪 原理：利用电磁波在等离子体里的折射率随等离子体电子密度的变化可制成干涉仪，是测量电子密度的主要手段。 所谓干涉仪是这样的仪器，它发射的平面电磁波分为两束。一束通过等离子体，为测量束；另一束以同样路程从等离子体外通过，为参考束。 微波干涉仪是一种双光束干涉仪。一般采用毫米波段的速调管，波导传输。从波源输出的微波束被T 形分支分为两束，一支作为测量束通过等离子体。另一束作为参考束通过可变衰减器和相移器，再通过另一T形分支与测量束汇合，再通过检波器并经视频放大，就可直接观察两束微