J-TEXT托卡马克装置磁扰动诊断系统的升级与分析

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在托卡马克等离子体中,宏观磁流体不稳定性会影响等离子体约束性能,甚至导致大破裂,使放电终止,所以研究各种磁流体不稳定性的产生机制和抑制方法一直是托卡马克聚变研究的热点方向之一。磁扰动是磁流体不稳定性的重要表征,准确测量等离子体放电过程中的磁扰动并加以分析对研究磁流体不稳定性至关重要。  J-TEXT装置自2007年放电以来已经配备以Mirnov磁探针阵列和鞍形线圈阵列为主的磁扰动诊断系统,并在过去物理实验中扮演了重要角色。但是随着实验研究的逐渐深入,当前的磁扰动诊断系统越来越不能满足要求,主要体现在以下几个方面:1)探针空间分辨率不够,无法测量较高模数的磁扰动;2)磁探针高频响应特性较差,导致测得的高频磁扰动信号弱,无法进行深入分析;3)原有磁扰动诊断系统老化,损坏率高等问题。为了支撑和服务J-TEXT开展不稳定性方面的物理实验,急需优化和升级J-TEXT磁扰动诊断系统。  本文主要介绍了2016至2017年期间J-TEXT装置上进行的磁扰动诊断优化升级工作。根据装置空间结构的限制和更高空间分辨率的要求,本文提出的优化升级的磁扰动诊断包括:1)新建1个极向Mirnov磁探针阵列,用于识别磁扰动在极向方向的空间分布,该阵列包含极向和径向探针各48道;2)新建2个环向Mirnov磁探针阵列,用于识别磁扰动在环向方向的空间分布,分别是低场侧上斜窗口9道和下斜窗口16道;3)新建外鞍形环向阵列10道以及内鞍形环向阵列2道,用于测量非旋转的磁扰动。为了提高磁扰动诊断的响应特性,新建磁扰动诊断系统在探针制作、安装等方面都做了全面优化,包括:1)新的Mirnov磁探针制作引入了低温共烧陶瓷工艺,制作出的新型多层陶瓷电路板磁探针具有电参数优良、结构紧凑、制作方便等优点;2)新的外鞍形线圈采用柔性印刷电路板技术,制作出一种柔性鞍形线圈,避免了原有法兰开槽、手工绕线等复杂程序,且满足复杂的安装要求。3)磁探针安装布局充分考虑了涡流干扰,屏蔽效应等问题,通过增加距离、减少导体体积、更换材料等方法减少探针和导体之间的耦合系数。新的磁扰动诊断系统相比原有诊断性能有显著提升,首先空间分辨率提升了一倍,极向从15°提升到7.5°,环向从45°提升到22.5°;其次经测试高频响应显著提高,从原来的11kHz左右提升到现在的200kHz。  新建磁扰动诊断系统经过调试已经在实验中得到应用,本文例举了J-TEXT实验中模共存、高频模、锁模、穿透等几个典型实验应用,并发展了一系列数据处理方法与相关程序。1)通过奇异值分解、互相关分析、双谱分析等方法,可以准确地分解模共存、模耦合的不同模式;2)通过滤波、时频分析观测到了频率在40kHz以上的阿尔芬本征模的极向、环向空间结构;3)通过建模、解析计算、设计实验拟合参数等手段精确计算出了鞍形线圈中耦合的外加场及相应的非线性涡流磁场,将它扣除,并给出了锁模、穿透磁岛的环向空间结构。
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