【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及中性束探针测量，具体而言，涉及一种用于测量等离子体电势和电场的诊断方法及系统。
技术介绍
1、磁约束聚变等离子体中径向电场及流剪切对抑制等离子体湍流输运和改善约束有着极其重要的意义。目前，在等离子体芯部区域只有重离子束探针（heavy ionbeam probe — hibp）可以实现对等离子体电势（）和径向电场（）高时空分辨的测量，因此被广泛应用于聚变装置。hibp的原理是通过测量单电荷离子束与等离子体中的电子碰撞电离后产生的二次离子束流的能量，得到电离区域（即采样区）局部的电势（电场）及其涨落。该方法仅适用于等离子体具有较高温度和密度的情况。对于低参数等离子体，hibp则难以适用。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种用于测量等离子体电势和电场的诊断方法及系统，以改善上述问题。为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：
2、第一方面，本申请提供了一种用于测量等离子体电势和电场的诊断方法，包括：
3、根据获取的磁约束聚变装置的运行参数，选择几种元素作为候选粒子元素，得到相关参数数据，其中相关参数数据包括粒子质量数据、一次碰撞电离截面数据和二次碰撞电离截面数据，其中运行参数包括磁约束聚变装置的背景磁场、等离子体的电子温度以及等离子体的电子密度；
4、基于运行参数及相关参数数据计算得到粒子的束流轨迹以及粒子与电子之间的有效碰撞电离截面数据，进而计算得到候选粒子元素的信噪比，根据信噪比选择合适的元素作为诊断所使用的中性束
5、基于中性束粒子元素的粒子质量数据，迭代计算得到粒子的束流轨迹能够通过分析仪入口狭缝的预设参数，其中预设参数包括入射能量、入射角度以及采样区；
6、基于中性束粒子元素，利用固态热离子源加热产生离子，并利用皮尔斯电极设备将离子进行加速，得到定向离子束，并通过定向离子束与预设的中性气体电荷相互交换进而产生预设入射能量的中性束；基于预设参数，将中性束以预设的入射角度注入到等离子体中；
7、利用分析仪将中性束在采样区碰撞电离产生的一次离子束进行分析计算，得到一次离子束的能量；基于一次离子束和中性束的能量差，根据能量守恒定律得到采样区的电势大小，重复上述步骤，采集不同采样区产生的一次离子束的能量，得到等离子体电势在不同径向位置的空间分布以及径向电场，进而诊断结束。
8、优选地，所述基于运行参数及相关参数数据计算得到粒子的束流轨迹，其中包括：
9、基于粒子质量数据，将一种候选粒子元素的中性束以一定入射速度和入射角度注入至等离子体中，与等离子体中的电子发生碰撞电离产生一次离子束，其中一次离子束在背景磁场的作用下发生偏转并穿出等离子体，粒子的束流轨迹计算公式如下：
10、
11、式中，为束流轨迹，为微分符号，为的微分，为时间，为的微分，为中性束的入射速度，为该候选粒子元素的粒子质量，为带电量（中性束，一次离子束，为电子电荷量），为背景磁场，沿着束流轨迹，粒子的运动速度基本不变，即，对于其他候选粒子元素的中性束，在同一束流轨迹下，入射速度可根据相同的拉莫尔半径换算得到：，其中为其他候选粒子元素的粒子质量。
12、优选地，所述基于运行参数及相关参数数据计算得到粒子的束流轨迹以及粒子与电子之间的有效碰撞电离截面数据，进而计算得到候选粒子元素的信噪比，根据信噪比选择合适的元素作为该诊断所使用的中性束粒子元素，其中还包括：
13、基于麦克斯韦速率分布函数、一次碰撞电离截面数据以及二次碰撞电离截面数据，得到粒子与电子之间的有效碰撞电离截面数据，其计算公式如下：
14、
15、式中，，为粒子与电子的相对速率，为粒子运动速度，为电子运动速度，为微分符号，为的微分，为麦克斯韦速率分布函数，为等离子体电子温度，为电子质量，为玻尔兹曼常量，为碰撞电离截面，为有效碰撞电离截面，带入一次碰撞电离截面得到一次有效碰撞电离截面数据，带入二次碰撞电离截面得到二次有效碰撞电离截面；
16、根据运行参数、相关参数数据、束流轨迹以及有效碰撞电离截面数据，计算候选粒子元素的信噪比，其计算公式如下：
17、
18、式中，为信噪比，为等离子体的电子密度，为入口狭缝宽度，为微分符号，为的微分，为束流轨迹，为中性束到达等离子体芯部发生碰撞电离产生一次离子束的时间，为一次离子束穿出等离子体的时间，、分别为一次、二次有效碰撞电离截面；
19、根据候选粒子元素的信噪比，选择信噪比大于的元素作为该诊断所使用的中性束粒子元素。
20、优选地，所述基于中性束粒子元素的粒子质量数据，迭代计算得到粒子的束流轨迹能够通过分析仪入口狭缝的预设参数，其中预设参数包括入射能量、入射角度以及采样区，其中包括：
21、根据束流轨迹计算得到不同入射速度、入射角度和采样区的束流轨迹，所述束流轨迹包括中性束到达采样区的轨迹以及碰撞电离后产生的一次离子束轨迹；
22、对束流轨迹进行迭代计算，得到一次离子束能够通过分析仪入口狭缝的束流轨迹所对应的预设参数信息，其中预设参数信息包括中性束入射能量、入射角度以及采样区。
23、优选地，所述基于中性束粒子元素，利用固态热离子源加热产生离子，并利用皮尔斯电极设备将离子进行加速，得到定向离子束，并通过定向离子束与预设的中性气体电荷相互交换进而产生中性束，其中包括：
24、选定中性束粒子元素所对应的固态热离子源并对其进行加热，溢出离子，利用皮尔斯电极设备加速溢出离子，并在静电透镜作用下进行聚焦，进而得到定向离子束；
25、将定向离子束引入至中性化室设备中，通过与预设的中性气体电荷进行交换进而产生预设入射能量的中性束，并将中性束以预设的入射角度注入等离子体中。
26、优选地，所述利用分析仪将中性束在采样区碰撞电离产生的一次离子束进行分析计算，得到一次离子束的能量；基于一次离子束和中性束的能量差，根据能量守恒定律得到采样区的电势大小，其中包括：
27、利用分析仪将中性束在采样区碰撞电离产生的一次离子束进行分析计算，得到一次离子束的能量；
28、基于一次离子束和中性束的能量差，根据能量守恒定律得到采样区的电势，其计算方式如下：
29、
30、其中，为采样区的电势，为一次离子束能量，为中性束入射能量，为电子电荷量。
31、第二方面，本申请还提供了一种用于测量等离子体电势和电场的诊断系统，包括第一获得模块、第一计算模块、第二计算模块、第三计算模块和第二获得模块，其中：
32、第一获得模块：用于根据获取的磁约束聚变装置的运行参数，选择几种元素作为候选粒子元素，得到相关参数数据，其中相关参数数据包括粒子质量数据、一次碰撞电离截面数据和二次碰撞电离截面数据，其中运行参数包括磁约束聚变装置的背景磁场、等离子体的电子温度以及等离子体的电子密度；
33、第一计算模块：用于基本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于测量等离子体电势和电场的诊断方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的用于测量等离子体电势和电场的诊断方法，其特征在于，所述基于运行参数及相关参数数据计算得到粒子的束流轨迹，其中包括：
3.根据权利要求1所述的用于测量等离子体电势和电场的诊断方法，其特征在于，所述基于运行参数及相关参数数据计算得到粒子的束流轨迹以及粒子与电子之间的有效碰撞电离截面数据，进而计算得到候选粒子元素的信噪比，根据信噪比选择合适的元素作为该诊断所使用的中性束粒子元素，其中还包括：
4.根据权利要求1所述的用于测量等离子体电势和电场的诊断方法，其特征在于，所述基于中性束粒子元素的粒子质量数据，迭代计算得到束流轨迹能够通过分析仪入口狭缝的预设参数，其中预设参数包括入射能量、入射角度以及采样区，其中包括：
5.根据权利要求1所述的用于测量等离子体电势和电场的诊断方法，其特征在于，所述基于中性束粒子元素，利用固态热离子源加热产生离子，并利用皮尔斯电极设备将离子进行加速，得到定向离子束，并通过定向离子束与预设的中性气体电荷相互交换进而产生预设入射能
6.根据权利要求1所述的用于测量等离子体电势和电场的诊断方法，其特征在于，所述利用分析仪将中性束在采样区碰撞电离产生的一次离子束进行分析计算，得到一次离子束的能量；基于一次离子束和中性束的能量差，根据能量守恒定律得到采样区的电势大小，其中包括：
7.一种用于测量等离子体电势和电场的诊断系统，其特征在于，包括：
8.根据权利要求7所述的用于测量等离子体电势和电场的诊断系统，其特征在于，所述第一计算模块，其中包括：
9.根据权利要求7所述的用于测量等离子体电势和电场的诊断系统，其特征在于，所述第二计算模块，其中包括：
10.根据权利要求7所述的用于测量等离子体电势和电场的诊断系统，其特征在于，所述第三计算模块，其中包括：
...【技术特征摘要】
1.一种用于测量等离子体电势和电场的诊断方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的用于测量等离子体电势和电场的诊断方法，其特征在于，所述基于运行参数及相关参数数据计算得到粒子的束流轨迹，其中包括：
3.根据权利要求1所述的用于测量等离子体电势和电场的诊断方法，其特征在于，所述基于运行参数及相关参数数据计算得到粒子的束流轨迹以及粒子与电子之间的有效碰撞电离截面数据，进而计算得到候选粒子元素的信噪比，根据信噪比选择合适的元素作为该诊断所使用的中性束粒子元素，其中还包括：
4.根据权利要求1所述的用于测量等离子体电势和电场的诊断方法，其特征在于，所述基于中性束粒子元素的粒子质量数据，迭代计算得到束流轨迹能够通过分析仪入口狭缝的预设参数，其中预设参数包括入射能量、入射角度以及采样区，其中包括：
5.根据权利要求1所述的用于测量等离子体电势和电场的诊断方法，其特征在于，所述基于中性束粒子元素，利...
【专利技术属性】
技术研发人员：许宇鸿，吴丹妮，栗钰彩，刘海峰，程钧，沈军峰，刘海，王先驱，黄捷，张欣，胡军，李伟，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：
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