一种适用于磁约束等离子体的极向快电子测量探针系统技术方案

本发明专利技术公开了一种适用于磁约束等离子体的极向快电子测量探针系统，包括绝缘外壳、快电子探针组件、朗缪尔探针组件、陶瓷基座和石墨外壳。绝缘外壳由耐高温氮化硼制成，陶瓷基座由可加工陶瓷制成。探针组件包括石墨探针、铜接线柱和导线等部件，石墨探针与铜接线柱由螺纹连接，铜接线柱与导线用锡焊连接或压线钳压接。快电子探针在极向上均匀对称分布，能够测量来自不同方向的快电子成分。快电子探针的石墨探针位于小孔内部，并被施加正偏压，由于磁约束等离子体中电子拉莫尔半径远小于离子，通过设置小孔的直径和深度能有效排斥离子而收集电子。本发明专利技术能够在磁约束聚变装置内部高温环境下工作，机械性能稳定，信号可靠，空间分辨高，占用空间小。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于磁约束等离子体的极向快电子测量探针系统
本专利技术涉及磁约束等离子体诊断领域，具体是一种适用于磁约束等离子体的极向快电子测量探针系统。
技术介绍
磁约束等离子体是利用特殊形态的磁场把准中性的等离子体约束在特定空间内，主要应用在磁约束聚变和等离子体发动机等领域。磁约束聚变通常利用线圈产生三维的磁场结构，将由离子和电子组成的等离子体长时间约束在容器内部，并通过微波和高能量中性粒子注入等加热方式，提高容器内等离子体的温度，使其足够高以至于能发生原子核聚变反应，通过爱因斯坦的质能方程释放能量，用于发电。未来的磁约束聚变堆很可能会采用氘和氚作为聚变的原料，不会产生难于处理的核废料，因而磁约束聚变是一种清洁能源。在自然界存在着丰富的氘和氚，通过磁约束聚变发电是解决人类能源问题的最终办法。目前最有前途的磁约束聚变装置有托卡马克和仿星器。在磁约束聚变装置中，中心等离子体的温度和密度较高，特别是温度可高达上亿度；边界等离子体的温度和密度相对较低，如电子温度从几个电子伏特到数百个电子伏特。在托卡马克中往往存在着很强的不稳定性现象，如边界局域模等，在爆发期间会将芯部等离子体的大量粒子和能量输运到边界等离子体，并打到装置的第一壁上，这会给材料的安全和寿命带来严重的威胁。在边界等离子体中，离子和电子主要沿磁力线做导心运动。在边界局域模爆发过程中，等离子体边界的磁通管内离子和电子快速运动，会形成电流丝结构。电流丝一方面会引起平行磁力线方向的快速粒子和能量输运，一方面产生的电流会感应磁场从而改变等离子体边界的磁拓扑结构，可能会增加边界区域横越磁力线的等离子体输运。在EAST托卡马克，实验发现低杂波注入过程中能产生与低杂波天线相关的电流丝结构，通过对电流丝结构进行调制，可以实现对边界局域模的抑制或缓解。通过主动产生边界电流丝，可以作为一种控制边界局域模的手段。测量电流丝的大小和空间结构，对于理解磁拓扑结构的改变和边界局域模的控制机理将会起到极大的促进作用。快速往复探针是磁约束聚变装置的一种常见诊断，能够在一次放电过程中多次打入边界等离子体，测量边界等离子体的电位、温度、密度、流速和输运通量等参数。快速往复探针前端的探头可以根据实验需要更换不同功能的探针。在磁约束聚变装置的边界等离子体中，离子和电子主要沿磁力线做导心运动，且离子和电子的温度大小相当，由于电子质量远小于离子质量，因此电子的运动速度远大于离子运动速度。所以在边界等离子体的磁通管中，电流主要由电子运动贡献。在某些情况下，如低杂波注入，会产生大量的高能电子，即边界等离子体会存在大量的快电子，它们在磁通管中运动会大大增加电流丝携带的电流，通过改变边界磁拓扑结构进而影响边界等离子体横越磁力线的输运机制。此外，在这种快电子主导的磁通管中，快电子成分一般具有单向运动的特征。通过测量一个磁通管两侧电子电流的大小和差异，可得到快电子电流的大小和方向。
技术实现思路
在磁约束聚变装置的边界等离子体中，由于离子质量远大于电子质量，离子拉莫尔回旋半径远大于电子拉莫尔回旋半径，如氘离子的拉莫尔回旋半径比电子的拉莫尔回旋半径大近60倍。利用离子和电子在磁场中拉莫尔回旋半径的巨大差异，本专利技术设计了嵌入小孔内的快电子探针，通过设置小孔的直径和深度，高能离子由于较大的拉莫尔半径不能穿越小孔而无法到达收集极；另一方面在探针收集极施加约200V的正偏压，低能离子无法克服小孔内外的电势差而无法到达收集极。因此，最终能被快电子探针收集到的主要是电子。利用本专利技术设计的快电子探针，通过测量对称侧的电子电流大小和差别，可以得到磁通管内快电子电流的大小和方向。本专利技术设计的快电子探针在极向均匀对称分布着8个快电子探针通道，能够测量4个极向方向上快电子电流大小和流向，通过数据拟合可以得到准确的快电子电流大小和方向。此外，快电子探针在径向上的两个阵列，还能够测量电流丝的时空演化。朗缪尔探针普遍应用于等离子体实验领域，可测量等离子体的电子温度和电子密度。本专利技术所述探针系统的朗缪尔探针由三根探针组成，基于三探针原理，能够测量高时间分辨的电子温度、电子密度和等离子体电位。本专利技术的目的是提供一种适用于磁约束等离子体的极向快电子测量探针系统，能够在强磁场高温环境中正常使用，测量等离子体中快电子引起的电流的大小、极向分布和空间结构，以及边界等离子体的电子温度和电子密度。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：一种适用于磁约束等离子体的极向快电子测量探针系统，包括有绝缘外壳、陶瓷基座、快电子探针组件、朗缪尔探针组件和石墨外壳；所述快电子测量探针系统设置有多个快电子探针通道，在极向上均匀对称分布在绝缘外壳的侧面，在绝缘外壳的前端还有多个朗缪尔探针；其中：所述绝缘外壳在径向包括多段不同直径大小的圆柱体，每段圆柱体在极向上均匀对称地分布着圆形通孔，具有预定深度，作为快电子探针通道，每个圆形通孔的底部与快电子探针的石墨探针棒贴合；绝缘外壳的内部设置有圆形孔，用于快电子探针和朗缪尔探针的石墨探针和铜接线柱的固定；绝缘外壳的前端分布着多个圆形通孔，相同数量的朗缪尔石墨探针由圆形通孔伸出；绝缘外壳的底部均匀分布有螺纹孔，通过螺丝与石墨外壳连接；所述陶瓷基座为圆柱体，分布着与探针数量相同的圆形台阶通孔，用于铜接线柱的固定和限位；所述快电子探针组件包括石墨探针棒、铜接线柱和对应的导线；石墨探针棒为圆柱，嵌入绝缘外壳预留的圆孔内，石墨探针棒的后端分布着外螺纹；铜接线柱的前端是螺纹孔，与石墨探针棒的螺纹杆对应，石墨探针棒与铜接线柱用螺纹连接；铜接线柱的前段和后段直径小于中段，在嵌入所述陶瓷基座预留的圆形台阶通孔并被绝缘外壳压紧之后，能固定快电子探针组件的位置；铜接线柱后段开有盲孔，且盲孔的中部开有凹型口，导线插入盲孔之后可用锡焊连接或压线钳压接；导线从石墨外壳的后端引出；所述朗缪尔探针组件包括第三石墨探针棒、第三铜接线柱和第三导线，其中第三石墨探针棒为圆柱，底部有外螺纹；第三铜接线柱前段开有螺纹孔，与石墨探针棒通过螺纹连接；第三铜接线柱的前段和后段直径小于中段，在嵌入所述陶瓷基座预留的圆形台阶通孔并被绝缘外壳压紧之后，能固定朗缪尔探针组件的位置；第三铜接线柱的后段开有盲孔，且盲孔的中部开有凹形口，第三导线插入盲孔之后用锡焊连接或压线钳压接；第三导线从石墨外壳的后端引出；所述石墨外壳为圆柱状，前端表面均匀分布有圆形通孔，与绝缘外壳底部的螺纹孔对应，通过螺纹连接绝缘外壳和石墨外壳；石墨外壳内部的前端是一个凹型槽，绝缘外壳和陶瓷基座组装之后，陶瓷基座的底部贴紧该凹型槽的底部，用于固定探针系统的位置；石墨外壳的后端均匀分布有圆形通孔，用于连接快电子探针支撑部件。进一步的，所述快电子探针在径向上有两个阵列，每个阵列在极向上均匀对称分布着8个快电子探针通道；前端分布有3个朗缪尔探针。进一步的，所述绝缘外壳由耐高温绝缘材料氮化硼加工而成，为圆柱体状，前端开有3个通孔，用于引出朗缪尔探针的第三石墨探针和嵌入第三铜接线柱；在径向上有两段不同直径大小的圆柱体，每段圆柱体在极向上均匀对称地本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于磁约束等离子体的极向快电子测量探针系统，其特征在于：包括有绝缘外壳、陶瓷基座、快电子探针组件、朗缪尔探针组件和石墨外壳；所述快电子测量探针系统设置有多个快电子探针通道，在极向上均匀对称分布在绝缘外壳的侧面，在绝缘外壳的前端还有多个朗缪尔探针；其中，/n所述绝缘外壳在径向包括多段不同直径大小的圆柱体，每段圆柱体在极向上均匀对称地分布着圆形通孔，具有预定深度，作为快电子探针通道，每个圆形通孔的底部与快电子探针的石墨探针棒贴合；绝缘外壳的内部设置有圆形孔，用于快电子探针和朗缪尔探针的石墨探针和铜接线柱的固定；/n绝缘外壳的前端分布着多个圆形通孔，相同数量的朗缪尔石墨探针由圆形通孔伸出；绝缘外壳的底部均匀分布有螺纹孔，通过螺丝与石墨外壳连接；/n所述陶瓷基座为圆柱体，分布着与探针数量相同的圆形台阶通孔，用于铜接线柱的固定和限位；/n所述快电子探针组件包括石墨探针棒、铜接线柱和对应的导线；石墨探针棒为圆柱，嵌入绝缘外壳预留的圆孔内，石墨探针棒的后端分布着外螺纹；铜接线柱的前端是螺纹孔，与石墨探针棒的螺纹杆对应，石墨探针棒与铜接线柱用螺纹连接；铜接线柱的前段和后段直径小于中段，在嵌入所述陶瓷基座预留的圆形台阶通孔并被绝缘外壳压紧之后，能固定快电子探针组件的位置；铜接线柱后段开有盲孔，且盲孔的中部开有凹型口，导线插入盲孔之后可用锡焊连接或压线钳压接；导线从石墨外壳的后端引出；/n所述朗缪尔探针组件包括第三石墨探针棒、第三铜接线柱和第三导线，其中第三石墨探针棒为圆柱，底部有外螺纹；第三铜接线柱前段开有螺纹孔，与石墨探针棒通过螺纹连接；第三铜接线柱的前段和后段直径小于中段，在嵌入所述陶瓷基座预留的圆形台阶通孔并被绝缘外壳压紧之后，能固定朗缪尔探针组件的位置；第三铜接线柱的后段开有盲孔，且盲孔的中部开有凹形口，第三导线插入盲孔之后用锡焊连接或压线钳压接；第三导线从石墨外壳的后端引出；/n所述石墨外壳为圆柱状，前端表面均匀分布有圆形通孔，与绝缘外壳底部的螺纹孔对应，通过螺纹连接绝缘外壳和石墨外壳；石墨外壳内部的前端是一个凹型槽，绝缘外壳和陶瓷基座组装之后，陶瓷基座的底部贴紧该凹型槽的底部，用于固定探针系统的位置；石墨外壳的后端均匀分布有圆形通孔，用于连接快电子探针支撑部件。/n...

【技术特征摘要】
1.一种适用于磁约束等离子体的极向快电子测量探针系统，其特征在于：包括有绝缘外壳、陶瓷基座、快电子探针组件、朗缪尔探针组件和石墨外壳；所述快电子测量探针系统设置有多个快电子探针通道，在极向上均匀对称分布在绝缘外壳的侧面，在绝缘外壳的前端还有多个朗缪尔探针；其中，
所述绝缘外壳在径向包括多段不同直径大小的圆柱体，每段圆柱体在极向上均匀对称地分布着圆形通孔，具有预定深度，作为快电子探针通道，每个圆形通孔的底部与快电子探针的石墨探针棒贴合；绝缘外壳的内部设置有圆形孔，用于快电子探针和朗缪尔探针的石墨探针和铜接线柱的固定；
绝缘外壳的前端分布着多个圆形通孔，相同数量的朗缪尔石墨探针由圆形通孔伸出；绝缘外壳的底部均匀分布有螺纹孔，通过螺丝与石墨外壳连接；
所述陶瓷基座为圆柱体，分布着与探针数量相同的圆形台阶通孔，用于铜接线柱的固定和限位；
所述快电子探针组件包括石墨探针棒、铜接线柱和对应的导线；石墨探针棒为圆柱，嵌入绝缘外壳预留的圆孔内，石墨探针棒的后端分布着外螺纹；铜接线柱的前端是螺纹孔，与石墨探针棒的螺纹杆对应，石墨探针棒与铜接线柱用螺纹连接；铜接线柱的前段和后段直径小于中段，在嵌入所述陶瓷基座预留的圆形台阶通孔并被绝缘外壳压紧之后，能固定快电子探针组件的位置；铜接线柱后段开有盲孔，且盲孔的中部开有凹型口，导线插入盲孔之后可用锡焊连接或压线钳压接；导线从石墨外壳的后端引出；
所述朗缪尔探针组件包括第三石墨探针棒、第三铜接线柱和第三导线，其中第三石墨探针棒为圆柱，底部有外螺纹；第三铜接线柱前段开有螺纹孔，与石墨探针棒通过螺纹连接；第三铜接线柱的前段和后段直径小于中段，在嵌入所述陶瓷基座预留的圆形台阶通孔并被绝缘外壳压紧之后，能固定朗缪尔探针组件的位置；第三铜接线柱的后段开有盲孔，且盲孔的中部开有凹形口，第三导线插入盲孔之后用锡焊连接或压线钳压接；第三导线从石墨外壳的后端引出；
所述石墨外壳为圆柱状，前端表面均匀分布有圆形通孔，与绝缘外壳底部的螺纹孔对应，通过螺纹连接绝缘外壳和石墨外壳；石墨外壳内部的前端是一个凹型槽，绝缘外壳和陶瓷基座组装之后，陶瓷基座的底部贴紧该凹型槽的底部，用于固定探针系统的位置；石墨外壳的后端均匀分布有圆形通孔，用于连接快电子探针支撑部件。


2.根据权利要求1所述的适用于磁约束等离子体的极向快电子测量探针系统，其特征在于：
所述快电子探针在径向上有两个阵列，每个阵列在极向上均匀对称分布着8个快电子探针通道；前端分布有3个朗缪尔探针。


3.根据权利要求1所述的适用于磁约束等离子体的极向快电子测量探针系统，其特征在于：
所述绝缘外壳由耐高温绝缘材料氮化硼加工而成，为圆柱体状，前端开有3个通孔，用于引出朗缪尔探针的第三石墨探针和嵌入第三铜接线柱；在径向上有两段不同直径大小的圆柱体，每段圆柱体在极向上均匀对称地分布着8个圆形通孔，两段圆柱体共计16个圆形通孔；所述氮化硼圆柱体的内部开有16个沿着径向的快电子探针圆形孔，圆形孔内可嵌入快电子探针的第一石墨探针棒和第二石墨探针、第一铜接线柱、第二铜接线柱，且氮化硼绝缘外壳侧面的快电子探针圆形通孔的底部与第一石墨探针棒、第二石墨探针紧密贴合；氮化硼绝缘外壳的底部均匀分布着8个螺纹孔，通过螺杆与所述石墨外壳连接。


4.根据权利要求1所述的适用于磁约束等离子体的极向快电子测量探针系统，其特征在于：
所述陶瓷基座由耐高温可加工陶瓷制成，呈圆柱体状，内部分布有19个台阶状通孔，孔位与所述绝缘外壳的孔位对应，台阶孔直径大的一侧在前段，直径小的一侧在后段，与探针铜接线柱中段和后段的尺寸对应，用于固定铜接线柱的位置。


5.根据权利要求1所述的适用于磁约束等离子体的极向快电子测量探针系统，其特征在于：
所述快电子探针组件包括石墨探针包括第一石墨探针和第二石墨探针、铜接线柱包括第一铜接线柱和第二铜接线柱，以及和对应的第一导线和第二导线；快电子探针分为两个径向阵列，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘少承，梁云峰，阮超波，颜宁，许吉禅，张华祥，廖亮，徐国盛，王亮，高翔，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34