摘 要

托卡马克装置中，已有研究表明静电涨落与磁涨落存在复杂的耦合关系，影响等离子体输运过程。但在实验中静电探针与磁探针通常分开使用，无法测量同一时空点的等离子体参数，不利于电磁耦合现象的分析研究，因此对于同时能够测量电、磁信号涨落的诊断装置亟待发展。本文从J-TEXT托卡马克装置出发，首先详细介绍了探针的诊断的原理及数据分析方法，以此为基础设计了一套复合式电磁探针系统，将磁探针与静电探针结合，使一个探针头部可以同时测量静电涨落和磁涨落信号。最后利用有限元软件建立了复合式电磁探针的物理场建模，对影响诊断性能的关键参数进行仿真分析，验证设计方案的可行性，为研究等离子体边界输运以及优化约束提供有力的诊断工具。

关键词：J-TEXT托卡马克，探针诊断，电磁信号分析，高频信号

Abstract

In the Tokamak device, studies have shown that there is a complex coupling relationship between electrostatic fluctuations and magnetic fluctuations, which affects the plasma transport process. However, in the experiment, the Langmuir probe and the magnetic probe are usually used separately, and it is impossible to measure the plasma parameters at the same time and space point, which is not conducive to the analysis and research of the electromagnetic coupling phenomenon. Therefore, it is urgent to develop diagnostic devices which can measure the fluctuation of electrical and magnetic signals simultaneously. Based on the J-TEXT tokamak device, this paper first introduces the principle of probe diagnosis and data analysis method in detail. A composite electromagnetic probe system has been designed, which combines the magnetic probe with the electrostatic probe, so that one probe head can measure electrostatic fluctuation and magnetic fluctuation signals at the same time. Finally, the finite element software is used to establish the physics modeling of the composite electromagnetic probe, and the key parameters that affect the diagnostic performance are simulated and analyzed to verify the feasibility of the design scheme , which provides a powerful diagnostic tool for the study of plasma boundary transport and optimization constraints.

Keywords: J-TEXT tokamak, probe diagnosis, electromagnetic signal analysis, high frequency signal

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 受控热核聚变 1

1.2 J-TEXT托卡马克 3

1.3 高温等离子体诊断技术 4

1.4 本文研究的主要内容 5

第2章 探针诊断原理和分析方法 7

2.1 静电分类及探针诊断原理 7

2.1.1 单探针 7

2.1.2双探针 9

2.1.3 马赫探针 11

2.2 磁探针诊断原理及标定系统 12

2.2.1 磁探针诊断原理 12

2.2.2 磁探针标定系统 14

2.3 探针信号分析方法 18

2.3.1 时间相关函数 19

2.3.2 基于傅里叶变换的谱分析法 20

第3章 复合式电磁探针的设计方案 22

3.1 复合式电磁探针设计要求及思路 22

3.2 复合式电磁探针的整体设计 23

第4章 复合式电磁探针关键参数的仿真 26

4.1 石墨套筒涡流效应的仿真分析 26

4.1.1 石墨套筒涡流对探针信号的影响 26

4.1.2 抑制筒涡流效应的途径 28

4.1.3 套筒设计优化 30

4.2 磁探针线圈自感量计算 31

4.3 电、磁信号相互干扰分析 33

第5章 全文总计及工作展望 36

5.1 全文总结 36

5.2 工作展望 37

参考文献 38

致谢 39

第1章 绪论

1.1 受控热核聚变

能源是人类生存和发展的物质基础，随着传统不可再生能源的逐渐枯竭，人们把目光投向了新能源的开发和利用，其中受控核聚变被认为是能够最终解决人类能源问题的有希望的途径之一^[1]。受控核聚变有两大突出优点：首先是原料储量极为丰富，核聚变反应的燃料是海水中氢的同位素氘和氚，其储量可供人类一千个电站使用上百亿年，几乎可以认为是取之不尽的^[2]；其次是清洁安全，与裂变能相比，聚变反应的产物仅为高能中子和氦气，引起的放射性污染要轻的多，在遇到突发事件时，也不会产生大规模不可控能量释放的超临界事故（如三里岛、切尔诺贝利和福岛事件）。

1905 年爱因斯坦提出了质能方程，以此为基础人们开始了核能的研究。聚变反应一般发生在两个轻原子核之间，在反应过程中质子和中子会重新组合，此时会有非常微小的质量损失，根据质能方程，这一微小的质量损失就转换成了巨大的能量。目前最在自然界和实验室中，最容易实现聚变的是氢的同位素素氘（）和氚（）：

反应过程如图 1.1 所示，氘原子核和氚原子核发生聚合反应，生成氦原子核和高能中子。