EAST托卡马克内部等离子体电流的模型建立与研究

摘要

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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第一章 绪论

1．1 世界能源的现状和未来的发展趋势

1．2 世界核磁约束聚变研究的发展

1．3 EAST超导托卡马克

1．4 EAST对未来聚变堆的可能贡献

1．5 课题研究内容与论文结构

第二章 MEMS磁场传感器概述

2．1 微机电系统(MEMS)简介

2．2 MEMS磁场传感器的发展

2．3 MEMS磁场传感器研究现状

2．3．1 MEMS压阻式磁场传感器

2．3．2 MEMS谐振式磁场传感器

2．3．3 MEMS扭摆式磁场传感器

2．4 本章总结

第三章 托卡马克磁约束原理

3．1 磁约束位形

3．1．1 环形位形的简单模型

3．1．2 仿星器位形

3．2 托卡马克平衡位形的基本特征

3．2．1 静磁平衡近似及其性质

3．2．2 Grand-Shafranov方程

3．2．3 等离子体的环向电流的驱动

3．2．4 托卡马克中带电粒子的漂移运动与自举电流

3．3 本章小结

第四章 EAST真空室内磁场模型的建立与验证

4．1 EAST装置简介

4．2 毕奥-萨伐尔定律(Biot-Savart Law)

4．3 内部磁场的建立

4．4 模型的验证与误差分析

4．5 误差分析

4．6 本章小结

第五章 强磁场MEMS磁场传感器的结构设计

5．1 MEMS强磁场传感器设计

5．2 MEMS磁场传感器理论模型的设计

5．3 MEMS强磁场传感器实验仿真

5．3．1 模态分析

5．3．2 应力分析

5．4 本章总结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士期间的学术活动及成果情况