场反位形形成测试装置上基于磁诊断系统的等离子体启动过程研究

作     者：叶辉 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈志鹏

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 082701[工学-核能科学与工程] 0827[工学-核科学与技术] 

主      题：场反位形 磁诊断 预电离 抗磁性 磁通捕获 分界面位形 

摘      要：场反位形(FRC)是一种紧凑的环形磁约束系统,具有很好的研究前景和意义。磁阱型磁压缩聚变装置HUST Field-Reversed Configuration(HFRC)采用θ-箍缩(θ-pinch)的形成方式产生这种磁场结构的等离子体。在该装置的形成区,各种等离子体诊断系统的配合可以获取等离子体的物理参数和运动状态等,用于研究场反位形等离子体的形成过程。其中,基于磁诊断系统,可以获得等离子体的磁感应强度、磁通量等参数,进一步推算出等离子体的半径、捕获磁通等参数,研究等离子体的启动过程。为了获取放电过程中等离子体的磁场信息,本文首先设计并搭建了磁诊断系统,主要包括磁通环、点磁探针和介入式探针。放电时线圈上会产生几十千伏的高压,放电频率可达150k Hz,因此设计了电容分压式的磁通环来降低感应电压,并且设计了积分电路将感应电压信号还原为磁通信号。此外,本文对点磁探针和介入式探针完成了选型、设计和安装,而且标定了探针的内部参数。随后对各个探针阵列进行了实测试。根据真空时的放电结果,说明磁探针能很好的还原磁通和磁场的分布情况;再分析有等离子体产生时,等离子体的抗磁性对磁信号波形的影响。最后根据磁诊断的分析方法,获得了等离子体启动过程中等离子体的关键参量,包括:抗磁性,捕获磁通,分界面半径,等离子体的维持时间。并运用二维粒子和蒙特卡洛数值模拟程序i PM,对不同放电参数下的预电离过程进行模拟,进一步将模拟的结果运用到实验结果的分析中,对场反位形等离子体启动过程(等离子体形成过程的早期阶段)进行研究。本文发现了放电参数──偏置(Bias)电压、预电离(PI)电压、场反转(Main)电压和初始气压对磁通捕获和等离子体维持时间的作用规律。随着PI和Bias电压的提高,捕获磁通一般随之提高;然而过高的PI电压和过强的Bias磁场反而不利于等离子体的磁通捕获。这为进一步优化场反位形等离子体的形成方案提供理论指导。