程时葵磁探针全

Report
初探磁探针
——等离子诊断课堂报告
程时葵
李孟婷
吴启鑫 王雅琴 唐桧波
目录
 磁探针及应用
 原理及积分电路
 磁探针优缺点,测量误差
 罗柯夫斯基线圈,米尔诺夫线圈
 位移探针:对称探针,余弦探针
 参考文献
磁探针及应用
 1957年,俄罗斯学者L.A. Artsimovich 等首次提出了磁
探针的测量方法。
 磁探针可以测量磁场,电流等。
 磁探针主要用于脉冲放电、磁镜装置、高温受控核聚变装
置、射频螺旋波等离子体中、等离子体射流发生器、低温
射频感性耦合等离子体源。
磁探针的结构
 线圈绕在由绝缘材料做成的骨架上,然后将其固定在一个
支撑管上,整个线圈和支撑管再套在绝缘管内。常用的绝
缘材料是石英、氧化铝陶瓷和硬玻璃。当将探针接到实验
室上时,绝缘套和放电室是密封的。在绕制线圈时,应尽
量减少引出线所形成的杂散面积,引线的一端经过回线槽
和另一端合并,用双绞线从支撑管内引出。
原理及积分电路(一)
 根据法拉第电磁感应定律:
 当探测线圈所在空间的磁场发生变化时,线圈两端产生磁
感应电动势
dB
d
 = Sef f
dt
dt
 其中
Sef f  N( S S)
原理及积分电路(二)
1
U 
C
t
t
1
I
dt

(   U )dt
0

RC 0
当积分常数RC相当大时,
输出电压U与输入电压
相比是一个小量可以忽
略。于是,我们积分得到

NS
U 
B
RC
磁探针优缺点
 优点:磁探针测量是一种非接触性测量,可以避免由于大
电流放电引起实验中地电位抬高而导致测量仪器被损坏。
 缺点:对线圈的要求比较高
 1, 要有高的灵敏度。这要求线圈的匝数多,面积大;
 2, 要对等离子体干扰小,如果放在真空室内的话,要有
好的空间分辨率。这又要求线圈的体积小;
 3, 要有快的响应时间。这要求匝数少。
 显然这样几点要求是彼此矛盾的,所以选择合适的线圈是
一个难点。
误差
1. 公示转换误差
∆U
1
=


忽略小项引起的误差,所以必须适当选择RC值,一般
在所测时间周期的几倍左右。
2. 测量误差:测量的实质是探针截面内的平均磁场。
3. 噪声误差,探针用不锈钢做静电屏蔽,并封装在石英或者
氧化铝内可以缓解。
罗柯夫斯基线圈(一)
它实际上是一个头尾相联成环状的螺线管
 应用范围:
 大电流测量,等离子体电
流、供电电流等
 测量原理:
 设其截面面积A是均匀
的,每单位长度匝数n,
在一匝范围内磁场变化很
小,通过这个螺线管的磁
通可写为
罗柯夫斯基线圈(二)


  n   dAB  dl  n  dA 
l A
由

B
A

 dl 
从而得到

  j
0
  nA0I


l B

 dl
 dS  0I
Mirnov线圈(米尔诺夫)
 Mirnov线圈用于探测磁流体力学不稳定性
 MHD扰动信号可以表示为:
在一个截面上分布16个线圈。
测量极向磁场的扰动,也可测
量径向场的扰动
i ( m  n t )
S( , , t )  Se
0
对称探针
 对称探针是指由一对参数相同的磁探针所组成的系统,这
两个探针相对于环的小截面几何中心对称的分布在赤道面
上。用于测量等离子体水平位移。
没有导电壳,且等离子体为直圆柱
分布情况下:长线电流的磁场为  0 I
2 x
两个探针输出经过积分的信号和差分别为
U  UB U A  k
U  UB U A  k

U
d
U
0 I
k
0 I
k
2 (d  )
2 (d  )
0 I
k
0 I
k
2 (d  )
2 (d  )
0 I
d
 0 I
d 2
正、余弦探针
余弦探针沿环的线密度是按照余弦分布的,即
dN
dN
 n0 cos m
 n0 sin m
或
bd
bd
n0 为最大绕线密度,dN
式中b为线圈的大半径,N为匝数,
d
为负号时线圈的绕线方向相反,
B

m表示m阶余弦探针。它们用来测
量角向磁场的各阶傅里叶分量(?)。
正、余弦探针
余弦探针的近似模型:
在环截面的外圆周上安排
一系列的探针,其中心轴位于
径向和切向的探针分别测量
和 ,这些线圈是完全相同
的,按角度分布也是均匀的。
B = B  + B 
B = −B  + B 
正、余弦探针
余弦探针的近似模型:
由麦克斯韦方程组:
 × B = μJ
  
  
  
  0
得:

= 


= μ 


= −

正、余弦探针
为了简单起见,我们考虑直圆柱状
等离子体的情况,电流方向与轴平行,
电流分布是非轴对称的,设p , ∅ 处
电流密度为j,它在Q ,  点产生的
切向和径向磁场为:
dB  =
0
− −∅
2 2 + 2 −2 −∅

dB  =
0
 −∅
2 2 + 2 −2 −∅

其中表示p 点处微分面积,于是可以得到:
正、余弦探针

2
 
0

2
 
0
+
2
 
0
−
2
 
0
=
0
 
=
0
 

 
∅

=
0

 

 
∅

=
0

 
 等式左边就是Bt θ 以及Bn θ 按傅里叶级数展开的各项系
数,它可由cosmθ和sinmθ线圈来测量(?)
正、余弦探针
 当m=0,0 =   = 
J0 = 0 ,余弦线圈就变
成了罗柯夫斯基线圈,可以测量总电流 
 当m=1, 1 =
1
 
 =
1 =
1
 
 = 

1


1

 式中 = ∅,  = ∅,是各点的直角坐标值,而X和
Y 相当于电流分布“重心”的坐标,因此用正余弦线圈可以
测出电流重心的位置,即前面所说的位移量。
参考文献
 马滕华,胡希伟,陈银华.等离子体物理原理,2011
 袁国玉. 可调谐射频磁探针的研究[D]. 大连理工大学, 2008.
 龚兴根. 脉冲强磁场测量[J]. 爆轰波与冲击波, 2000, 2: 68-68.
 徐敏, 陈林, 姜巍, 等. 用于等离子体断路开关中的磁探针诊断技术
[J]. 爆轰波与冲击波, 2004 (3): 114-117.
 邹积岩, 段雄英. 罗柯夫斯基线圈测量电流的仿真计算及实验研究
[J]. 电工技术学报, 2001, 16(1): 81-84.
Thanks !
特别鸣谢:王彦鹏

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