第三講：磁探針

1、v無論是天體等離子體還是實驗室等離子體，磁場對等離子體的分布起著重要的作用。v這些磁場一般由外導體以及等離子體本身的流動所產生。v等離子體的位形決定了等離子體的約束特性宏觀平衡和穩(wěn)定性。磁場的測量方法探針測量方法光譜方法最常用的是感應式磁探針，結構簡單，結構形式和測量位置靈活、多樣話。獲得的等離子體信息：等離子體電流、位移、磁流體不穩(wěn)定性以及逆磁效應利用磁場對等離子體輻射的影響，如塞曼效應、法拉第效應等，來測定沿觀察方向的平均磁場。一、內部磁探針內部磁探針實際上就是插入等離子體中的小螺線管線圈，當磁場發(fā)生變化時dtdBSdtdeffBSNSSeff為探針所在空間磁感應強度B在線圈軸向的分量N為

2、線圈匝數(shù)， 為引線和接頭所形成的雜散面積S將積分得B感應磁探針只能只能測量順便的磁場，不能測量靜磁場。線圈繞在由絕緣材料做成的骨架上，然后將其固定在一個支撐管上，整個線圈和支撐管再套在絕緣管內。常用的絕緣材料是石英、氧化鋁陶瓷和硬玻璃。當將探針接到實驗室上時，絕緣套和放電室是密封的。在繞制線圈時，應盡量減少引出線所形成的雜散面積，引線的一端經過回線槽和另一端合并，用雙絞線從支撐管內引出。II一般對這樣的探圈的要求是： 1，要有高的靈敏度。這要求線圈的匝數(shù)多，面積大； 2，要對等離子體干擾小，如果放在真空室內的話，要有好的空間分辨率。這又要求線圈的體積??； 3，要有快的響應時間。這要求匝數(shù)少。顯

3、然這樣幾點要求是彼此矛盾的，應根據(jù)具體要求選擇設計方案。這樣的磁探圈可直接用于測量等離子體的磁場漲落。這是因為漲落的測量一般無須積分。但置于真空室內的探圈需要放在金屬屏蔽桶內進行靜電屏蔽。屏蔽室的壁厚要足夠薄以保證頻率的響應。積分器積分器 簡單積分器（左）和有源積分器（右） dtVVRCIdtCVtit)(1100000ViV當積分常數(shù)RC相當長時，輸出電壓較輸入電壓小得多，在等式右方可以忽略。dtdBNSV 帶入上式BRCNSV 0只有當輸出電壓比輸入電壓小得多時，也就是積分常數(shù)RC很大時，才可忽略而得到上式。這就必然損失了測量的靈敏度。所以必須適當選擇RC值，一般在所測時間周期的幾倍左右。

4、dtdBSdtdeff ISdjl dB00它實際上是一個頭尾相聯(lián)成環(huán)狀的螺線管。 lAl Al dBdAnl dBdAnInA磁通變化正比于所包含的電流的變化率，所以用其連同積分器可以測等離子體電流 Rogowski線圈 矩形截面Rogowski線圈 滿足磁場空間變化緩慢的要求。這實際上要求線圈離所測電流足夠遠。距離電流很近處的矩形截面線圈，其內外半徑分別為r1，r2，寬d。假設直線電流位于線圈中心，則通過線圈磁通為 12ln2221rrdINdrrINdrrd其中N為線圈總匝數(shù)。當r2-r1(r2+r1)/2時，上式接近于式 IndA對稱探圈對稱探圈 對稱探針是指由一對參數(shù)相同的磁探針所組

5、成的系統(tǒng)，可對稱分布在赤道面上環(huán)內外對稱位置以測水平位移，或上下測量垂直位移這是一種測量托卡馬克等離子體柱位移的探圈。用于圓截面等離子體位置的測量 對稱探圈的缺點是須經運算才能得到位移值，不適于反饋控制一類的應用。對稱探圈 oo222bda242bddIkdIkdIkUUUAB000)(2)(22000)(2)(2dIkdIkdIkUUUABdUU)/11(220dbdIkUB)/11(220dbdIkUAdbdbUU222cos1ln21142),(2200aaRIIBPPPsinln2114),(220aaRIBPP1ln24)() 0()()(sin2)() 0()() 0(2)(220

6、22222ababRaBBBBbabBBBBbabrrRsin)()0()()()(bBBBBZcos)()0()()()(bBBBBrrrZabBBBBbRBBBBbRrrln)()0()()(sin)()0()()0()(00余弦探圈余弦探圈 這是一種Rogowski線圈的變種，它們沿環(huán)的繞線密度不是均勻分布的，纏繞密度與極向角度的余弦成比例 余弦探針BmnbddNsin0mnbddNcos0B為線圈的大半徑，n0為最大繞線密度，為負號時線圈的繞線方向相反ddNm代表m階正弦、余弦探針，羅柯夫斯基為零階余弦探針)cos1 (20ddIBpcos dr處于角度，半徑d的線圈的相對于等離子體中

7、心的新的半徑為如果我們將這一極向磁場沿小環(huán)圓周測出，再作Fourier變換就可得到這一位移 在一些大中型裝置中，等離子體不是圓截面的，不能用簡單的方法測量位移。在這樣的裝置中還存在一個測量等離子體截面形狀的問題。這時往往用分布在真空室內的許多小磁探圈和大環(huán)方向的磁通環(huán)來測量局部極向磁場和磁通變化，再通過平衡公式來計算。這方面已有一些現(xiàn)成的程序如EFIT。)(0),(tnmieStS測量極向磁場的擾動，也可測量徑向場的擾動。NjjNjjijbjadB110)sin()cos(21001kiiBkd10)2cos(2kiijkijBka10)2sin(2ktijkijBkb 除去Mirnov探圈以

8、外，我們有時還使用兩類直接測量磁場的探圈。其一是伸進等離子體直接測量極向磁場的內磁探圈。這只有在等離子體溫度很低，電流脈沖很短的時候才能做到。其二是安裝于等離子體以外區(qū)域的測量磁漲落的高頻磁場探圈。為獲得高頻（MHz）的信號，應安裝在真空室以內。BmveBmvmeBerereiSpcccc22222121212BEpP0EIBB00PBAEIBPT82008/8/2200220PPPIPaBP為角向壓強比為角向壓強比PiieekTnkTnP0為等離子體小截面平均的橫向動壓強，其數(shù)值就等于為等離子體小截面平均的橫向動壓強，其數(shù)值就等于E22081PPIB可以測出可以測出 就可以確定等離子體的橫向

9、動能就可以確定等離子體的橫向動能 或或 ，再利，再利用密度測量的數(shù)據(jù)，還可以較準確的給出等離子體的溫度值用密度測量的數(shù)據(jù)，還可以較準確的給出等離子體的溫度值EP該測量可以在整個等離子體中連續(xù)進行，因而它是一項重要的診斷該測量可以在整個等離子體中連續(xù)進行，因而它是一項重要的診斷手段手段不過不過 的測量是不容易的，因為它只占總縱磁場的的測量是不容易的，因為它只占總縱磁場的1010-3-31010-4-4，以，以致于常常被誤差信號淹沒而測不出真正的致于常常被誤差信號淹沒而測不出真正的 值。因此，為了成功值。因此，為了成功的進行逆磁測量，必須注意避免測量電路與裝置的其他寄生耦合的進行逆磁測量，必須注意

10、避免測量電路與裝置的其他寄生耦合目前有兩種方法已成功的用于測量逆磁通量目前有兩種方法已成功的用于測量逆磁通量縱場線圈 羅柯夫斯基線圈 分分壓壓器器縱場電容器儲能電源差分放大器利用縱場線圈本身作為探測線圈，使縱場線圈的供電電源的內阻很小，即它的時間利用縱場線圈本身作為探測線圈，使縱場線圈的供電電源的內阻很小，即它的時間常數(shù)比等離子體存在的時間長的多，這樣等離子體存在期間線圈兩端的電壓保持不常數(shù)比等離子體存在的時間長的多，這樣等離子體存在期間線圈兩端的電壓保持不變變0BIL靜電探針的補充發(fā)射探針一般是一段通電的鎢絲。加熱后達到熱電子發(fā)射（約2000K）溫度，產生電子發(fā)射流。當其偏壓為正時，發(fā)射電子

11、又返回探針。偏壓低于等離子體電位時，發(fā)射電子流迭加在離子收集流之上，而且較離子收集流大得多，并隨燈絲加熱電流增加而增加。另一特征是，隨這一電子發(fā)射流的增加，懸浮電位（電流為零的電位）越來越向右側移動，接近等離子體電位。可以將探針開路時的電位認為是等離子體電位。這是一種更直接的方法。如下為一個用于懸浮環(huán)裝置的發(fā)射探針設計。其熱絲是用鎢絲做成，直徑1mm，長6mm。所測量對象的電子溫度10eV，密度1017m-3。此探針主要用于等離子體的電場漲落。 發(fā)射探針設計 發(fā)射探針的電壓-電流特性曲線 除去靜電探針，伸進等離子體進行探測的診斷設備還有能量分析器、Mach探針等。 離子能量分析器是伸進等離子體

12、的一個一端開口的小金屬圓筒，離子從進口處進入，經過幾個柵極達到收集極。第一個柵極是加負電位的排斥柵，用于排斥電子使其不能進入分析器。第二個柵極是處于正電位的偏壓柵。使能量高于這一電位的離子才能進入。對于一個穩(wěn)態(tài)等離子體，這個柵極電位是掃描的。不同偏壓所得的信號對偏壓數(shù)值微分，就得到離子能量譜。這一偏壓柵內尚有一加負電位的屏蔽柵，用以進行靜電屏蔽和防止二次電子進入收集極。 它由緊靠在一起的兩個同樣的金屬探針組成，其間用絕緣材料擋住，使得每一探針只能接受一側的粒子流。當所加電壓為負，接收離子流時，如果存在與絕緣層垂直的宏觀流動，速度為u。它和聲速的比例M=u/CS稱為Mach數(shù)。從探針在迎流動面接受粒子流馬赫探針ud和背對流動的粒子流可以得到MduduM)(2duJJMln6 . 0 “Mach probe”:o main feature: 16 pl