【畢業(yè)學位論文】（Word原稿）中國聯(lián)合球形托卡馬克磁漲落測量與分析-核科學與技術

中國聯(lián)合球形托卡馬克 磁 漲落 測量 與 分析 申請清華大學工學碩士學位論文 ) 培 養(yǎng) 單 位 : 工程物理系 學 科 : 核科學與 工程 研 究 生 : 指 導 教 師 : 高工 二 八 年五 月 中國聯(lián)合球形托卡馬克磁漲落測量與分析 關于學位論文使用授權的說明 本人完全了解清華大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即： 清華大學擁有在著作權法規(guī)定范圍內(nèi)學位論文的使用權，其中包括： （ 1） 已獲學位的研究生必須按學校規(guī)定提交學位論文，學?？梢圆捎糜坝　⒖s印或其他復制手段保存研究生上交的學位論文； （ 2）為教學和科研目的，學校可以將公開的學位論文作為資料在圖書館、資料室等場所供校內(nèi)師生閱讀 ,或在校園網(wǎng)上供校內(nèi)師生瀏覽部分內(nèi)容 。 本人保證遵守上述規(guī)定。 （保密的論文在解密后遵守此規(guī)定） 作者簽名： 導師簽名： 日 期： 日 期： 摘 要 I 摘 要 中國第一臺球形托卡馬克裝置，其建造目的 主要 在于 拓展我們 對低環(huán)徑比的 磁約束裝置等離子體物理 的理解， 以及論證采用 非感應方式 啟動 并建立穩(wěn)定的 等離子體 的可能性。本文的主要工作著眼于利用的磁測量系統(tǒng)進行磁漲落的測量，并 據(jù)此 分析磁漲落與反常輸運的關系。眾所周知， 在磁約束等離子體中， 磁場的漲落 是能量反常輸運的一個有效機制。在反場箍縮裝置和傳統(tǒng)托卡馬克中已經(jīng)進行了很多的相關研究，這些研究指出磁漲落和邊界輸運存在密切的聯(lián)系。但是，由于受到磁測量 線圈位置的限制，所有先前的研究都集中在邊界等離子體中，這顯然不能直觀地反映湍流自芯部向 刮離層 發(fā)展的情況。我們的工作 主要是來探究球形托卡馬克中從芯部到限制器之間的磁漲落與反常輸運的相互關系。 具體來說，我們利用磁測量系統(tǒng) 直接測得磁線圈上的感應電壓，然后利用公式求得了磁場強度，進而通過數(shù)據(jù)處理獲得了 磁漲落量的徑向分布情況， 最后 利用 湍流譜分析技術 兩點測量估計湍流的譜功率密度分布建立了波數(shù)譜。我們從波數(shù)譜看到，湍流沿徑向分別向內(nèi)和向外沿兩個方向傳播，但是疊加效果是使得湍流 從芯部向限制器方向傳播。此外，條件功率譜指 出湍流的能量幾乎與漲落頻率無關。最后，我們發(fā)現(xiàn)磁湍流以恒定的相速度（大約 2 km/s）從芯部向邊界傳播，并且維持一個恒定的波數(shù)（大約 0.5 關鍵詞： 球形托卡馬克 磁漲落 反常 輸運 湍流I as on of at a R/a of by of is on of of It is in a of in A of in is a by of on is to of to is to to we of we to in to of is of of we to at a km/s) a .5 錄 錄 第章 引言 . 1 聚變研究概述 . 1 從托卡馬克到球形托卡馬克 . 1 托卡馬克診斷技術概況 . 4 研究現(xiàn)狀 . 4 課題工作 . 6 第 2 章 統(tǒng) . 7 置簡介 . 7 置上已有的診斷設備 . 9 第 3 章 磁測量系統(tǒng)的建立 . 13 磁測量概述 . 11 磁測量原理 . 12 磁探針的設計和制作 . 13 外部裝置 . 14 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) . 15 磁探針的真空預處理 . 19 件 . 19 烘烤電路 . 22 第 4 章 磁漲落分析手段 . 24 時頻分析 . 24 一致性分析 .未定義書簽。 自相關時間 .未定義書簽。 雙譜分析 .未定義書簽。 第章 磁漲落分析結果 . 27 典型的等離子體電流 . 27 目 錄 探針對等離子體的影響 . 28 向磁場徑向分布以及漲落 . 29 功率譜分析 . 33 時頻特性分析 . 35 一致性分析 .未定義書簽。 自相關函數(shù)和自相關時間 .未定義書簽。 雙譜分析 .未定義書簽。 第 6 章 總結、結論以及將來的研究 . 45 總結 . 45 探針對等離子體的影響 . 45 徑向磁漲落幅度很小 . 45 結論 . 45 將來的工作 . 46 參考文獻 . 49 致謝與聲明 . 51 附錄 A 主要的分析程序和子函數(shù)說明表 . 52 個人簡歷、在學期間發(fā)表的學術論文與研究成果 . 53 主要符號對照表 V 主要符號對照表 A 環(huán)徑比 ( 極向磁場 環(huán) 向磁場 徑向磁場 一致性 等離子體電流 平衡場電流 限制器 q 安全因子 r 等離子體小半徑 刮 離 層 ( 極向 環(huán)向 等離子體比壓 磁通量 感應電動勢 第 1 章 引 言 1 第章 引言 聚變研究概述 隨著工業(yè)的發(fā)展， 石油、天然氣和煤等不可再生資源的枯竭，當今世界面臨著一個相當嚴峻的能源問題。按照現(xiàn)在的能源消耗速度，世界上可開采的非可再生能源：煤可用 219 年（中國不足 100 年）；石油、天然氣可用 44 年； 用幾百年。能源危機日漸逼近，開發(fā)和利用更為廣泛、清潔和高效的新能源已經(jīng)迫在眉睫。 與化石能源以及目前核電站利用的核裂變發(fā)電相比，聚變能具有資源無窮盡性、環(huán)境可接受性、和經(jīng)濟競爭性，是目前人類所能夠認識到的可最終解決人類能源和環(huán)境問題的最重要的途徑之一。 聚變反應是將兩個較輕的 核結合而形成一個較重的核和一個很輕的核（或粒子）的過程。兩個較輕的核在融合的過程中產(chǎn)生質(zhì)量虧損而釋放出巨大的能量。基本反應方程式為： D+T=He+n 為了實現(xiàn)可控核聚變，自五十年代起，各國的科學家開始不懈的努力。各種各樣的聚變實驗裝置在世界范圍內(nèi)不斷建立起來。研究比較成功的核聚變實驗裝置大致可以分為兩種一種是磁約束可控核聚變裝置（ 另外一種慣性約束可控核聚變 (磁約束可控核聚變的原理是設計實現(xiàn) 強大的磁場位形來約束并加熱等離子體，使其碰撞實現(xiàn)聚變反應；而慣性約束聚變的原理是利用高功率激光轟擊靶丸來實現(xiàn)聚變反應。目前普遍認為磁約束聚變的研究要領先于慣性約束巨變的研究。而在磁約束可控核聚變的研究領域當中，托卡馬克裝置是研究的主流（另外還有磁鏡，仿星器，場反箍縮等研究裝置） 1 從托卡馬克到球形托卡馬克 托卡馬克裝置英文為 來自俄文：環(huán)形（ 真空室（ 磁（ 線圈（ 最初是由位于蘇聯(lián)莫斯科的庫爾恰托夫研究所的 阿齊莫維奇等人在 20 世紀 50 年代發(fā)明的。有的時候我們國家第 1 章 引 言 2 也把 置意譯為“環(huán)流器”。 1954 年，第一個“托卡馬克”裝置在前蘇聯(lián)庫爾恰托夫原子能研究所建成，并且實現(xiàn)了個別的聚變反應； 1970年，前蘇聯(lián)在另外一臺“托卡馬克”裝置上第一次觀察到了聚變能量的輸出。 2006 年，國際熱核試驗反應堆（ 府間協(xié)議草簽，標志這繼國際空間站之后最大的國際科學合作研究項目正式開始。在此合作項目中，歐盟，美國，中國，俄羅斯，日本，韓國， 印度七方一共將投入 50 億美元。 球形托卡馬克（ 概念是由美籍華裔科學家彭元凱在 1986 年首次提出。球形托卡馬克就是地環(huán)徑比托卡馬克，它和傳統(tǒng)的托卡馬克相比有著以下的特點：緊致的結構、自然拉長、大 加了環(huán)向場的效率，低環(huán)向場，大等離子體電流，順磁性）、高 、高密度極限、更少的大破裂、更好的能量約束、可以達到改進的約束模式。較小的環(huán)徑比導致了較強的耦合模式，尤其是在等離子體的外部區(qū)域。這可能會導致等離子體的變形。球形托卡馬克的特點就是在較小的磁場中實現(xiàn)較大的等離子體壓力 ，在適中規(guī)模的等離子體上實現(xiàn)較好的能量約束，自舉電流比例較高，用較低的花費實現(xiàn)較高的能量密度。采用這類型的裝置，可以在比傳統(tǒng)的托卡馬克裝置規(guī)模小的多的條件下實現(xiàn)同樣規(guī)模的聚變條件，其經(jīng)濟意義不言而喻 1 世界范圍內(nèi)的球形托卡馬克有： 國）、 西）、 羅斯）、 本）、 國）、 國）、 國）、 國）、 國）、 本）、 本）、本） 第 1 章 引 言 3 圖 世界范圍 內(nèi)的球形托卡馬克 21 世界上部分球形托卡馬克的主要參數(shù)（ 2001 年） 第 1 章 引 言 4 托卡馬克診斷技術概況 托卡馬克裝置中的高溫等離子體經(jīng)歷著十分復雜的運動和變化過程。它們在異常高溫、高壓（或者真空）和強而復雜的電磁場中產(chǎn)生各種復雜的磁流體運動過程，各種波和不穩(wěn)定性。此外高溫等離子體內(nèi)部的各種各樣的粒子存在著復雜的運動形式（比如湍流， 輸運 ），還有粒子與電磁波之間的相互作用，等離子體和容器之間的相互作用。要實現(xiàn)可控聚變，首先要了解在托 卡馬克裝置中等離子體的物理過程。而診斷技術正是能夠提供以上的這些有用的數(shù)據(jù) 5 托卡馬克裝置中高溫等離子體的診斷方法可以分為兩類，一類是被動地檢測從等離子體內(nèi)部射出來的一切物質(zhì)（包括從微波到 X 射線的各種頻區(qū)的電磁波，逃逸的原子、電子、中子、和其他的微粒子），以及等離子體在外部產(chǎn)生的磁場，從而推斷高溫等離子體內(nèi)部的特性；另一類是主動地送入各種形式的探針，例如各種實物探針（靜電探針、磁探針等）、微波探針、激光探針以及各種粒子探針等，他們深入等離子體內(nèi)部，并根據(jù)它們和等離子體相互作用的特性來對高溫等離子體 進行診斷 5 研究現(xiàn)狀 分析研究磁約束裝置中的等離子體的各種不穩(wěn)定模式，找出消除和抑制這種不穩(wěn)定的方法是磁約束等離子體研究中的基本問題之一。在載流等離子體中，其內(nèi)部的許多宏觀擾動都表現(xiàn)為等離子體電流密度的某種擾動模式，它所產(chǎn)生的磁場也隨之發(fā)生相應的擾動，可以借助 感應式 磁探針 或者其他的 技術手段 對其進行檢測。我們可以通過 內(nèi) 外的磁探針來測量 等離子體 磁場的時空變化，從而測定與等離子體電流有關的擾動模式 5。 在托卡馬克實驗當中，所觀察到的粒子和能量損失遠遠超過碰撞輸運理論的預計。這種“反常輸運” 通常認為是由等離子體內(nèi)部存在的湍性漲落所引起的。這種湍流引起的輸運通常分為兩種極端的情況來進行研究：一種是靜電湍流，即假設約束的磁場不變，而由振蕩的電場導致輸運；另外一種是磁湍流，也就是由等離子體電流的漲落引起約束磁場的漲落，這時的磁面可能已經(jīng)被破壞。理論家們傾向于認為靜電湍流對于反常輸運的貢獻是主要的。但是還需要進一步的實驗結果的明確證明，有的裝置上發(fā)第 1 章 引 言 5 現(xiàn)磁漲落引起的輸運是主要的，而有些裝置顯示磁漲落對輸運的貢獻微不足道?，F(xiàn)在的實驗結果已經(jīng)證明了在大環(huán)徑比、低 的試驗裝置中，靜電漲落是湍流輸運的主要機制，磁 漲落要比靜電漲落小兩個數(shù)量級，因此可以忽略。對于低環(huán)徑比、高 的裝置，理論上認為磁漲落的大小應該是和靜電漲落可以相比擬，至少不會相差兩個量級。但是還沒有充分的實驗證據(jù)來證明這些說法。實驗中的主要困難在于如何準確獲取在高溫等離子體內(nèi)部的各種參量。因此，關于低環(huán)徑比、高 裝置上磁漲落對輸運的貢獻也還沒有達到一個確定一致的結論7 磁診斷是幾乎所有等離子體研究裝置上一項重要的基本診斷方式，先前在 都進行過這樣的診斷研究，并且得出了很多重要的研究結果。 1994 年 進行了快速磁探針診斷研究，發(fā)現(xiàn)在 q=2 的有理面上，徑向熱通量幾乎完全是由磁湍流引起的，而在 r/a=%左右。 1995 年在 進行的磁漲落的研究，實驗中發(fā)現(xiàn)漲落的水平在歐姆加熱、粒子回旋共振加熱以及低雜波加熱的條件下和 線性正相關，也證實了磁湍流是決定整個約束時間的主要機制。目前世界范圍內(nèi)的球形托卡馬克基本上都安裝了磁測量系統(tǒng)，并利用所得到的磁場信息進行各種有特色的研究。比如： 用磁通量線圈 來研究重建磁場位形，將來準備實現(xiàn)對等離子體位形的實時控制 ； 用探針信號研究磁平衡重建 ； 析磁探針信號研究 穩(wěn)定性以及 部重聯(lián)）現(xiàn)象 。但是對于熱等離子體的磁漲落的測量主要還是集中在邊界部分，比如在1981）， 1987）和 1987）上曾經(jīng)進行過漲落和約束時間的相關研究。在球形托卡馬克裝置上進行可移動式的磁探針診斷和相應的漲落研究 并不多見 111516。 另外，在分析方法的方面，各種托卡馬克裝置實驗對于靜電漲落和磁漲落的研 究各具特色。比如： 據(jù) 針得到的數(shù)據(jù)用雙譜分析法研究等離子體邊界的擾動 (1993)； 波分析研究 針得到的數(shù)據(jù)以及徑向相關長度 (1996)； 叉雙譜的方法研究不同頻率間的相位耦合以及在 率附近產(chǎn)生的漲落 (2001) ； D D 分析湍流與低頻漲落之間的非線性耦合 (2001)； 據(jù) 針得到的數(shù)據(jù)用雙譜分析法研究兩種漲落之間的非線性耦合 (2005) 以及用雙譜的方法 研究懸浮電勢漲落(2006)19202122232425。 第 1 章 引 言 6 與傳統(tǒng)的低 托卡馬克裝置相比，高 的磁約束裝置可能具有更大的磁場擾動。在很多的等離子體實驗裝置上都進行過此類的研究，比如反場箍縮（ 直線裝置（ 等。在這些試驗中發(fā)現(xiàn)磁漲落的主要分量是由環(huán)向的等離子體電流引起的極向場，并且磁場漲落帶走主要的能量。球形托卡馬克是一種高 的試驗裝置， 對于 其中的能量 輸運 磁漲落也應該起著很重要的作用 7 但是，目前在球形托卡馬克上，在磁漲落方向進行的研究還比較少。目前在 球形托卡馬克裝置 上 利用可移動磁探針做內(nèi)部磁診斷以及 運用雙 譜的分析方法進行過磁漲落的分析 也不多見 。因此，我們在 置上進行此方面的研究具有一定的創(chuàng)新意義。 課題工作 診斷系統(tǒng)包括電磁測量、輻射測量、信號隔離和數(shù)據(jù)采集幾部分。作為邊界診斷的有效手段， 本課題利用磁 探針系統(tǒng)對 離子體 內(nèi)部及邊界磁場 進行實驗研究。內(nèi)容包括： 測出非感應加熱條件 下邊界等離子體 的 極向 磁場強度 ，以及它們的徑向分布 ；運用 “兩點交叉相關法” 研究磁漲落 與湍流反常輸運以及能量的相互關系 。 本論文的 具體工作包括以下 幾 個 方面： 一、利用 測量系統(tǒng)獲得 磁線 圈感應電壓；二、通過數(shù)據(jù)處理獲得 感應加熱條件下的等離子體磁漲落量的徑向分布；三、利用“兩點交叉相關法”對磁漲落量進行分析，獲得磁漲落量與湍流反常輸運及能量的 相互關系，并與傳統(tǒng)托卡馬克以及球形托卡馬克上的靜電漲落分析進行對比。 論文內(nèi)容安排如下第二章 簡單 介紹我們實驗的裝置 三章集中說明磁測量系統(tǒng)的組成部分。 第四章簡單介紹磁測量的相關知識。 第五 章介紹 “兩點交叉相關法”的 波數(shù)譜 分析手段 。第 六 章給出 利用“兩點交叉相關法”對 漲落的分析結果。第 七 章主要是對前面工作的討論、總結以 及展望將來要開展的工作。 第 2 章 統(tǒng) 7 第 2 章 統(tǒng) 置簡介 我國自行設計并建造的第一臺球形托卡馬克實驗裝置，也是我國在托卡馬克成為主流磁約束聚變研究途徑之后，首次開展非傳統(tǒng)托卡馬克途徑磁約束受控核聚變研究。裝置最初由國家自然科學基金委，清華大學，中國科學院物理研究所三家單位一起聯(lián)合支持， 1999 年開始設計， 2002 年完成總裝，并進行放電調(diào)試。 圖 置圖 置的總外徑約 1.4 m，裝置赤道面距離地平面 1.5 m，總高約 2.2 m。裝置總重小于 1000 接由地面支撐。主要設計參數(shù)分別是：等離子體第 2 章 統(tǒng) 8 大半徑 R 為 30 半徑 a 為 23徑比 A 然拉長比 0 處的最大環(huán)向場 ，最大的等離子體電流 50 和傳統(tǒng)的托卡馬克類似， 置 結構的主體也是由環(huán)形真空室和三組脈沖磁體（ 環(huán)向場線圈、歐姆加熱場線圈和垂直場線圈 ）構成，如圖所示。 圖 面簡圖 環(huán)形真空室是由兩個半殼與管狀的中心柱經(jīng)交叉氟橡膠圈密封而成，中心柱半徑為 65 叉氟化橡膠密封 圈為整個真空室提供了沿環(huán)向和極向的真空密封和電隔離， 這種結構中斷了真空室外殼上極向和環(huán)向的渦流回路，這將有利于節(jié)省等離子體啟動過程中變壓器磁通的消耗。 真空室材料是 304 不銹鋼 。外殼直徑 1.2 m、高度 m、厚度 6 心柱外徑約 15 度 1 環(huán)向場線圈是一個螺線管，共 24 匝，沿真空室環(huán)向繞行，截面為矩形，第 2 章 統(tǒng) 9 它放電時產(chǎn)生托卡馬克所需的環(huán)向磁場； 歐姆加熱場線圈 (歐姆加熱螺線管 ) 位于中心柱的空筒內(nèi)， 高 1140 半徑 45 半徑 63 224 匝，它 放電時產(chǎn)生擊穿工作氣 體的環(huán)電壓并產(chǎn)生等離子體電流；垂直場線圈共三對，關于真空室赤道面對稱分布，水平環(huán)繞在真空室上，它放電時產(chǎn)生控制等離子體環(huán)的水平位置的垂直磁場。此外，在真空室頂端和底部還對稱分布著兩對補償線圈，共同為歐姆感應加熱螺線管的雜散磁場提供補償。 置上已有的診斷設備 在等離子體實驗裝置中，電流的大小，分布，在等離子體內(nèi)外的電場和磁場等等是實驗的最基本的參數(shù)。對于這些參數(shù)的可靠的測量是做實驗和理解實驗中物理過程的基礎。等離子體診斷設備是磁約束聚變研究裝置的重要組成部分。在 置上面已經(jīng) 安裝的診斷設備有兩對羅柯夫斯基線圈， 9 個通量環(huán)，靜電探針， 8微波干涉儀，以及軟 X 射線陣列 第 3 章 磁測量系統(tǒng)的建立 11 第 3 章 磁測量 磁測量概述 在 磁 約束熱核實驗裝置中，存在強大的磁場，這些磁場是由外導體中或等離子體本身流動的電流所產(chǎn)生的。等離子體和磁場間存在著強烈的相互作用，人們就是利用這種相互作用來約束高溫等離子體。等離子體中的磁場的位形決定了等離子體的約束特性 樣，要完全地了解磁約束等離子體的運動規(guī)律，就必須研究其中磁場的空間分布及瞬時變化規(guī)律。因此在磁約束等離子體研究中，測量磁場的分布 是必不可少的。等離子體內(nèi)部磁場的測定方法大致可以分為兩類。一類是探針測量方法，其中最常用的是感應式磁探針。它的結構十分的簡單，實驗室可以自制；而且結構形式及放置位置十分靈活和多樣化，可以根據(jù)不同的需要制成不同形式的探針，放置在空間的不同位置。用它可以得到大量有關的等離子體運動特征的信息，如等離子體電流、位移，磁流體不穩(wěn)定性，以及逆磁效應等。此外，在早期研究工作中還曾用過磁電探針（如霍爾探針等），雖然它具有靈敏度高、響應頻帶寬等獨特的優(yōu)點，但由于它的結構比較復雜，需要大功率穩(wěn)流源供電，而且它抗干擾、輻射、高溫 的性能較差，因而近來在高溫等離子體診斷中已經(jīng)很少用了。另一類是光譜方法，即利用磁場對等離子體輻射的影響，例如賽曼效應、法拉第效應等，來測量沿觀測方向上等離子體內(nèi)的平均磁場。 等離子體是一團作各種復雜運動的粒子的集合。在磁約束聚變研究中，人們已探索出各種特殊的磁場位形，試圖借助于強大的電磁力使高溫等離子體約束在平衡并且穩(wěn)定的狀態(tài)中達較長的時間。然而至今我們還不能使這些等離子體的狀態(tài)是完全穩(wěn)定的，它還存在著種種不穩(wěn)定的情況。磁測量是研究等離子體宏觀不穩(wěn)定性的重要手段之一。因為在等離子體當中，其內(nèi)部的許多宏觀擾動 都表現(xiàn)為等離子體內(nèi)部電流密度的某種擾動模式，故它產(chǎn)生的磁場也將隨之發(fā)生相應的擾動，可見可以借助磁探針對其進行檢測。擾動模式不單一時，就需要對關聯(lián)探針的輸出信號進行相關分析，來推斷 振蕩 的模式。 第 3 章 磁測量系統(tǒng)的建立 12 磁測量原理 內(nèi)部磁探針實際上是一個插入等離子體內(nèi)部的小螺線圈線圈，它的工作原理很簡單。根據(jù)電磁感應定律，當線圈所在的空間中磁場發(fā)生變化時，由于穿過線圈橫截面的磁通 發(fā)生變化時，在線圈兩端將產(chǎn)生一個感應電動勢 e f f d t d t (3式中 B為探針所在空間磁感應強度 B 在線圈軸向的分量 ，S，N 為線圈匝數(shù)， S 為線圈橫截面積， S 是引線和接頭所形成的附加的雜散面積。將 積分就可以得到 B，公式為 810e f v o l t (3式中 V 為實驗所測得的 磁場線圈感應電壓 ， 積分常數(shù)。 由此可見感應磁探針只能用來測量瞬變磁場，而不能測量靜磁場。 第 3 章 磁測量系統(tǒng)的建立 13 第 4 章 磁測量系統(tǒng) 磁探針 磁探針骨架材料是聚四氟乙烯，（如圖）。骨架大小為 10 10 10 線采用直徑為 漆包線。繞在內(nèi)部圓柱體的線圈測量的極向（外部磁力推桿旋轉(zhuǎn) 90即為環(huán)向）的磁場，其橫截面積約為 18 在外部的線圈是測量徑 向的磁場，其橫截面積約為 52 外線圈都均勻密繞200 匝。 一組（ 4 個）磁探針繞線完成之后，用特制膠固定在 140 10 2 鄰探針之間的距離為 30 個探針和支板與外部的磁力推桿固定。支板外面套有內(nèi)徑為 17.5 不銹鋼薄套管，來保證探針不受高溫的等離子體的侵蝕。不銹鋼套管沿軸向上下切割開一對狹縫，使磁場能夠進入到其內(nèi)部區(qū)域。 圖 磁探針線圈骨架圖 第 3 章 磁測量系統(tǒng)的建立 14 圖 磁探針實物圖 外部裝置 在中平面可以自由實 現(xiàn)徑向的進動以及沿磁力推桿軸線的轉(zhuǎn)動。從而測量的徑向磁場以及環(huán)向和極向的磁場。 第 3 章 磁測量系統(tǒng)的建立 15 圖 外部磁力推桿 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 流程圖如下圖所示。 第 3 章 磁測量系統(tǒng)的建立 16 圖 磁測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖 磁探針信號經(jīng)磁力推桿下方的密封接口分組導出到接線板。然后以雙絞線連接到一組有源積分器，（電路圖如下 圖 示，積分常數(shù)為 1 積分后的信號通過數(shù)據(jù)采集卡采集到工控機。 第 3 章 磁測量系統(tǒng)的建立 17 V C e y = A 10k 50%568u F - P O 7u F - P O 2 7圖 有源積分器電路圖 采集頻率為 2 12 分辨率。 第 3 章 磁測量系統(tǒng)的建立 18 表 磁測量系統(tǒng)接線表 使用數(shù)據(jù)采集格式轉(zhuǎn)換軟件 (可以方便地將每一次實驗的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為易讀的 件。其界面如下圖所示 : 圖 格式轉(zhuǎn)換軟件界面圖 磁探針編號 磁場方向（推桿初始位置） 探針中心位于真空內(nèi)壁面時推桿刻度（ 接出線號 采集線號 采集箱號 采集通道 積分時間（ 縱軸單位（ V/ 縱軸單位（ 繞線匝數(shù) 向 396 01 01 1 00 向 396 02 03 2 00 向 426 03 04 1 00 向 426 04 09 2 00 向 456 05 014 2 00 向 456 06 015 2 00 向 486 07 27 200 向 486 08 44 200 第 3 章 磁測量系統(tǒng)的建立 19 探針的真空預處理 件 由聚四氟乙烯以及不銹鋼套管制成的磁探針本身吸附了很多空氣中的氮氣，氧氣已及其他的雜質(zhì)氣體，這些雜質(zhì)將是 空的主要氣源。所以磁探針不能夠直接就進入到真空室進行實驗測量。必須先經(jīng)過真空室外的空間釋放這些吸附的氣體才能進入 真空室。單純的用真空泵抽氣，解吸及擴散到表面再解吸氣體的衰減速率非常的緩慢。一臺金屬密封的不烘烤的真空系統(tǒng)，要達到超高真空（低于 10a）下平衡的放氣水平，需要大約 108 小時。我們采用烘烤的手段來加速氣體的擴散和解吸，就可以在短時間內(nèi)使吸附在探針系統(tǒng)的雜 質(zhì)氣體衰減到我們真空系統(tǒng)可以接受的水平（ 10a） 26。 置在真空室外壁采用了 件烘烤方案，我們在磁探針進入真空室前也同樣采用這樣的方法，來釋放探針吸附的氣體。正溫度系數(shù)電阻（ 件電阻 為居里點（ 在溫度達到居里點以后，其阻值急劇增加，電阻率溫度系數(shù)可以到達（ 15% / 以上。利用這一特性可以實現(xiàn)對小真空室的恒溫加熱自動控制 26。 件貼片先固定在一片光滑的薄銅板上，然后再將銅板緊緊貼在小真空室的外壁，它從電路分壓 中得到電功率（ 發(fā)熱并把熱量傳導給銅板和真空室。 件在常溫時電阻很小，隨著溫度的升高，電阻開始增大。在溫度達到居里點的溫度（ 后，電阻急劇增大。 第 3 章 磁測量系統(tǒng)的建立 20 圖 片電阻與光滑薄銅板的連接圖 當溫度為 件熱源對真空室供熱時，有 式中 件到真空室表面的熱導系數(shù)，包括了 安裝結構間的接觸熱導、安裝結構的熱導、安裝結構與真空室間的接觸熱導；真空室表面（與安裝結構接觸部分）的 溫度 26。 這樣的烘烤系統(tǒng)的自然最終平衡烘烤溫度（ 決于系統(tǒng)的漏熱（ 當它與 當時的溫度即為 統(tǒng)的漏熱功率 它是通過漏熱熱導系數(shù)漏放到室溫體系中去的熱量。這是一個極復雜的綜合量，包括了種種傳到室溫表面的過程（如經(jīng)過保溫層、法蘭連接管道等等）及室溫表面的散熱過程（如對流、輻射）。 與在真空室外的烘烤設備一致，我們同樣選取了居里點為 160的件。其電壓 第 3 章 磁測量系統(tǒng)的建立 21 圖 壓電流曲線圖 通電之后，當電壓較低時，由功耗引起的溫升很慢，工作在 ；調(diào)高電壓，增大功率，當溫度達到居里點以后，由于正溫度系數(shù)的調(diào)節(jié)效應，進入等功率段（ 增加電壓對功率影響不大。我們使用 片電阻做熱源，工作點是在 ，其功率大約是在 10 之間。 考慮到磁力推桿外壁的形狀，我們的烘烤 片電阻分為兩組，一組六個，一組三個，分別用導熱導電膠固定在打磨光滑的薄銅片上。然后用細鐵絲將薄銅片緊貼固定在磁力推桿的外壁。如下圖所示。 片電阻的兩面就是電阻的兩極，其中 一面用導電膠貼在薄銅片上，和真空室外壁（接地）是連通。為了保證電路的連通，我們將打磨光滑的薄銅片剪切成為略小于 小圓片，用導電膠貼在 片的另一極。將導線焊接到銅片引出，從而完成了電路的連接。 導熱導電膠是一種加熱后凝結固化的特種膠，價格不菲，我們在實驗的過程中發(fā)現(xiàn)在將 件粘貼在銅片上時，必須同步一起加熱。也就是說我們要同時將一組 件用導電膠和銅片固定起來。實驗中因為膠體在常溫下過于稀釋，常常會出現(xiàn)，膠體將 件兩極連接起來的情況。另外在 件第 3 章 磁測量系統(tǒng)的建立 22 的每一面涂多少導電膠也有講究，涂得 過多，或者導致兩極短路，或者導致導電膠過多而短路，涂得過少則會出現(xiàn)粘結不牢靠，銅片和 易分離的情況出現(xiàn)。 在 片電阻安裝好了之后，還要在其外面裹上保溫材料來保溫，減少 件和室內(nèi)空氣的熱交換，增加加熱的效率。在這里我們就用了普通的棉被來做保溫的材料。 烘烤電路 我們兩組的 片電阻均是并聯(lián)，電壓范圍是 0們用華通機電有限公司的變壓器（輸出電壓范圍是 0 ）來為 片電阻提供 110 V 左右的電壓。在并聯(lián)每一路 串聯(lián)了 按鈕開關、 保險絲以及 用于顯 示狀態(tài)的小燈。在實際操作中，我們先開啟一路 片電阻，用感應電流表測得其電流減少到 左右時，再開啟下一路，以此類推，將所有的 入電路。 其電路以及實物如下圖所示。 第 3 章 磁測量系統(tǒng)的建立 23 圖 輔助烘烤設備 (變壓器以及開關部分 ) 在 片電阻 輔助 烘烤的 幫助下 ，磁探針所在的外部磁力推桿的小 腔體內(nèi)的氣壓在 機械泵和離子泵的作用下 一天之內(nèi)就可以降到到 10a，而真空室的氣壓一般在 4 1010a。此時就可以開啟連接磁力推桿小腔體和真空室的閥門，使得磁探針