EAST托卡马克内部等离子体电流的模型建立与研究

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EAST全超导托卡马克是近堆芯高参数和稳态先进等离子体运行科学问题的重要实验平台,随着放电参数的提高,在EAST上将实现1000s量级的等离子体放电和长脉冲准稳态将是今后发展的必然方向,现有的传统磁场测量技术是难以满足EAST未来发展的需求,对EAST强准稳态磁场的精确测量是个极大的挑战。  针对超导托卡马克EAST装置未来千秒脉冲,准稳态强磁场测量的发展需求,当前使用的感应线圈测量磁场变化率方法的探针无法准确测出准稳态的磁场,而一般的霍尔器件又适应不了托卡马克中强磁强辐射高温的环境,因此需要设计出耐高温,耐强磁,耐辐射,灵敏度高,频率范围宽的MEMS磁场传感器,替代以往主要由电磁感应线圈构成的探针,为下一步中国聚变工程实验堆的电磁诊断系统提供相关的技术积累。研究的MEMS磁场传感器未来可用于超导托卡马克装置稳态运行的电磁测量诊断系统之中,实现对EAST中点磁场的精确测量和描述,实现对EAST等离子体位形的反演和控制。  本论文的主要研究内容如下:  (1)通过对EAST装置以及等离子体电流位形的研究,充分理解EAST中的极向线圈与纵向线圈的意义以及等离子体电流的运动状态,确定EAST托卡马克中的磁场分布情况,为后续的构建数学模型奠定基础;  (2)利用毕奥-萨伐尔定律为基础建立EAST内部的磁场数学模型,并利用Matlab对实验数据的拟合分析,对模型进行分析验证进而改进模型,整体误差在3%~5%之间;  (3)通过磁场数学模型的建立,设计了基于洛伦兹力的MEMS感应线圈磁场传感器。并且通过ANSYS仿真计算得出MEMS传感器的固有频率为24.26kHz,品质因数Q为12.5,灵敏度S为2.287pF/T。
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