基于超級(jí)電容器的充放電電路系統(tǒng)研制及其在EAST 限制器探針測(cè)量中的應(yīng)用*

張問(wèn)博 劉少承 廖亮 魏文崟 李樂(lè)天 王亮? 顏寧 錢(qián)金平 臧慶

1) (中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所,合肥 230031)

2) (中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院科學(xué)島分院,合肥 230026)

1 引言

朗繆爾靜電探針可以較為精確地測(cè)量磁約束聚變裝置中邊界等離子體的電子溫度、電子密度[1]、離子飽和流、懸浮電位[2]和輸運(yùn)通量[3]等參數(shù),具有研制費(fèi)用低和測(cè)量物理量豐富的優(yōu)點(diǎn),因此廣泛應(yīng)用于世界上各大磁約束裝置,例如國(guó)內(nèi)的HL-2A[4],EAST[5,6],J-TEXT[7],國(guó)際上的Alcator C-Mod[8],JT-60[9],DIII-D[10]等.

EAST 限制器探針于2021 年安裝在低場(chǎng)側(cè)G-H 窗口間的限制器,通過(guò)切換探針電路可以使其工作在懸浮電位測(cè)量、離子飽和流測(cè)量和掃描單探針3 種模式,能夠觀測(cè)到邊界等離子體分布特征和漲落信息[11].當(dāng)探針工作在離子飽和流測(cè)量模式時(shí),需要為探針提供穩(wěn)定且足夠高的偏壓[12].目前,一些磁約束聚變裝置的靜電探針系統(tǒng)使用多節(jié)9 V 干電池串聯(lián)成的電池組為探針提供偏壓[13].由于測(cè)量聚變裝置中等離子體湍流[14]、邊界局域模[15]、射頻鞘層[16]等結(jié)構(gòu)需要靜電探針系統(tǒng)具有很高的采樣率,以保證足夠的精度分析信號(hào)中的湍流信息,這就要求電路及測(cè)量系統(tǒng)具有很高的信噪比[17],從而最大程度地抑制電路噪聲對(duì)等離子體信號(hào)的干擾.干電池輸出電壓紋波極小,使用干電池為探針提供偏壓,所得測(cè)量信號(hào)具有較低信噪比.但是,干電池的電量有限,在磁約束聚變裝置實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要頻繁更換干電池組,影響測(cè)量效率且維護(hù)成本較高,而且干電池廢棄后難以回收利用,含有汞、鎘、鉛、鋅等重金屬還可能會(huì)污染環(huán)境.如果采用普通電源為探針提供偏壓,雖然可以滿足EAST 長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)測(cè)量需求,但是不能很好滿足輸出電壓低噪聲的需求.以本文中所用直流電源為例,最大紋波300 mV p-p,其輸出電壓波動(dòng)會(huì)影響我們觀測(cè)高頻的湍流現(xiàn)象.同時(shí),使用直流電源會(huì)導(dǎo)致參考地不統(tǒng)一,我們希望所有測(cè)量都使用裝置壁作為參考地.為了滿足探針?biāo)鶞y(cè)數(shù)據(jù)具有高信噪比,同時(shí)適應(yīng)EAST 長(zhǎng)周期實(shí)驗(yàn)下探針電源系統(tǒng)穩(wěn)定和易維護(hù)的需求,采用超級(jí)電容器為探針提供偏壓,同時(shí)發(fā)展了整套超級(jí)電容器充放電控制電路.該電路能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)化運(yùn)行,使得整套電容供電系統(tǒng)能夠工作在聚變裝置的強(qiáng)輻射環(huán)境下.

本文的主要內(nèi)容安排如下: 第2 節(jié)說(shuō)明超級(jí)電容器充放電控制電路的設(shè)計(jì)思路和方案、電路中各個(gè)硬件的選型、電路自動(dòng)控制的邏輯和電路控制軟件各操作界面的功能.第3 節(jié),我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室組裝并測(cè)試了超級(jí)電容器充放電控制電路的各項(xiàng)功能,包括工作輸出、電阻放電和充電模式,還一并測(cè)試了電容器的自然漏電速度,確認(rèn)電路各項(xiàng)功能可以正常使用且符合EAST 實(shí)驗(yàn)需求.第4 節(jié),在長(zhǎng)脈沖放電實(shí)驗(yàn)中測(cè)試此電容供電系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)探針偏壓穩(wěn)定、測(cè)量所得數(shù)據(jù)可靠;最后將限制器探針應(yīng)用在一次低雜波驅(qū)動(dòng)電流實(shí)驗(yàn)中,測(cè)量到低雜波加熱下刮削層等離子體三維參數(shù)特征.

2 超級(jí)電容器的充放電控制電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 電路設(shè)計(jì)方案

超級(jí)電容器是電路的核心部件,為了收集離子飽和流,電容器需要為探針輸出穩(wěn)定且足夠高的偏壓以阻擋電子進(jìn)入探針.在等離子體放電過(guò)程中,探針表面會(huì)形成等離子體鞘層.對(duì)于靜態(tài)鞘層,考慮EAST 放電常用的氫氘混合等離子體,如果外加偏壓?0>3(Te/e),其中Te為電子溫度,e為單位電荷,探針?biāo)鶞y(cè)電流為離子飽和流[18].EAST 限制器位于低場(chǎng)側(cè)G-H 窗口中間,一般放電情況下,限制器中平面附近邊界等離子體電子溫度約為20 eV[19],即要求偏壓?0大于60 V.在離子回旋波加熱下,由于射頻鞘的影響,等離子體電位可能被抬高上百伏[20],因此將探針偏壓加至150 V以上,可以保證在絕大多數(shù)放電條件下穩(wěn)定收集離子飽和流.我們選用力容新能源技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SM0006-180-P 超級(jí)電容,該超級(jí)電容器模組由60 個(gè)單體電容器串聯(lián)而成,每個(gè)電容器會(huì)并聯(lián)一個(gè) 120 ? 的電阻,用來(lái)平衡電壓,電容6 F,最高輸出電壓180 V,該輸出電壓可以滿足離子飽和流測(cè)量需求.在放電過(guò)程中電容輸出電壓會(huì)不斷衰減,對(duì)于EAST 進(jìn)行的長(zhǎng)脈沖放電實(shí)驗(yàn),還應(yīng)保證電容電壓衰減不會(huì)影響到離子飽和流測(cè)量.

考慮100 s 的長(zhǎng)脈沖放電,將電容器初始電壓設(shè)定為V0=170 V,假設(shè)超級(jí)電容器的放電電流為1 A.每次等離子體放電所消耗的電量為

其中R=7200 Ω 為總平衡電阻,C=6 F 為電容量,則總的電壓降為

100 s 放電結(jié)束后電容電壓為152.9 V,仍高于要求的150 V 輸出偏壓.因此,理論上該型號(hào)電容器能夠在長(zhǎng)脈沖放電條件下為探針輸出穩(wěn)定且足夠高的偏壓.對(duì)于連續(xù)放電的情況,由于每次放電間隔通常在5 min 以上,只要電源功率足夠高就能在下一次放電前將電容充滿電,不會(huì)造成電容器輸出電壓衰減.綜上所述,我們選用的電容器理論上能在連續(xù)放電或長(zhǎng)脈沖放電條件下為限制器探針提供穩(wěn)定可靠的偏壓.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求設(shè)計(jì)了整套超級(jí)電容器充放電控制電路: EAST 實(shí)驗(yàn)期間,常規(guī)單次放電時(shí)長(zhǎng)10 s,兩次放電時(shí)間間隔約5 min.實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前,電容器需要充電升壓;在裝置放電過(guò)程中,電容器需要為探針輸出穩(wěn)定的偏壓以滿足離子飽和流測(cè)量需求;為了保證下一次放電時(shí)電容器能為探針正常輸出偏壓,放電間隔時(shí)電路應(yīng)進(jìn)入充電狀態(tài),直流電源為電容器充電恢復(fù)電壓;當(dāng)需要降低電容輸出電壓時(shí),可通過(guò)電阻放電實(shí)現(xiàn).同時(shí),還希望對(duì)電路實(shí)行遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)控制,即不同工作模式之間的切換可以在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上完成,并且電路可以根據(jù)放電信號(hào)自動(dòng)切換工作模式.為了使超級(jí)電容充放電控制電路實(shí)現(xiàn)上述功能,其電路設(shè)計(jì)如圖1超級(jí)電容器充放電控制電路所示.

通過(guò)控制繼電器開(kāi)關(guān),電路能夠?qū)崿F(xiàn)上述4 種功能,包括電容充電、工作輸出、電阻放電和關(guān)斷模式,電路4 種功能的實(shí)現(xiàn)方式具體如下.

充電模式: 閉合S1,S2,S3,斷開(kāi)S4,S5,S6;直流電源和電容器串聯(lián).此時(shí)可以設(shè)置直流電源輸出電壓,超級(jí)電容器電壓將逐漸提升至設(shè)定值.

工作輸出: 閉合S5,S6,斷開(kāi)S1,S2,S3,S4;此時(shí)Vout輸出至探針,同時(shí)斷開(kāi)充電、測(cè)量和放電電路,這是為了保證電容輸出電壓不受其他部件影響,不干擾探針的測(cè)量地.

電容放電: 閉合S3,S4,斷開(kāi)S1,S2,S5,S6;此時(shí)電容器和大功率散熱電阻R3串聯(lián),通過(guò)釋放電容器的電量降低電容輸出電壓.

關(guān)斷模式: 所有繼電器開(kāi)關(guān)斷開(kāi),切斷直流電源和電容器的輸出.

各個(gè)電路模式對(duì)應(yīng)的繼電器開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合,見(jiàn)表1 超級(jí)電容器充放電電路4 種模式下繼電器開(kāi)關(guān)的狀態(tài)組合.

表1 超級(jí)電容器充放電電路4 種模式下繼電器開(kāi)關(guān)的狀態(tài)組合Table 1.State combinations of relay switches in four modes of supercapacitor charging and discharging circuits.

2.2 硬件設(shè)計(jì)方案

除了電容器以外,超級(jí)電容器充放電控制電路中硬件還包括直流電源、繼電器開(kāi)關(guān)、電阻、二極管、保險(xiǎn)絲、智能控制器等,組裝完成后才能最終實(shí)現(xiàn)電路的充電、放電、測(cè)量、電路保護(hù)、遠(yuǎn)程和自動(dòng)控制等功能,以下分別介紹電路中的主要硬件選型.

1)直流電源

直流充電電源采用ITECH 可編程寬量程直流電源,最大輸出電壓/電流/功率分別為300 V/6 A/850 W,輸出電壓紋波 ≤ 300 mV p-p,充電功率足夠高,可以在下一次放電前將電容電壓充至設(shè)定值.電源采用SCPI 通信協(xié)議,將電源和計(jì)算機(jī)設(shè)置在同一IP 地址,就可以通過(guò)在計(jì)算機(jī)上輸入命令遠(yuǎn)程控制電源.電源共有9 臺(tái),每一臺(tái)可以同時(shí)為4 臺(tái)電容器充電.

2)繼電器開(kāi)關(guān)

電路運(yùn)行時(shí)依靠控制開(kāi)關(guān)使電路工作在不同狀態(tài),開(kāi)關(guān)應(yīng)當(dāng)能被遠(yuǎn)程控制,同時(shí)保證電路的安全,防止出現(xiàn)短路、漏電等現(xiàn)象.綜上考慮,電路中的開(kāi)關(guān)選用高壓直流繼電器,均為常開(kāi)開(kāi)關(guān),由專用芯片NUD3112D 驅(qū)動(dòng).這種繼電器共6 個(gè)(圖1 中S1—S6)可以在高壓條件下工作,未收到控制指令情況下均處于斷開(kāi)狀態(tài),以保證電路的運(yùn)行安全.

3)電阻

為了測(cè)量電容器電壓,與超級(jí)電容器串聯(lián)兩個(gè)電阻R1,R2,再和繼電器開(kāi)關(guān)S3串聯(lián),通過(guò)測(cè)量取樣電阻R2兩端的電壓差,即可獲得電容器的電壓V1.R3為大功率發(fā)熱電阻,與超級(jí)電容器串聯(lián),再和繼電器開(kāi)關(guān)S4串聯(lián).需要降低電容電壓時(shí),閉合S3,S4,電路切換至電阻放電模式.

4)保護(hù)裝置

聚變裝置放電過(guò)程中,探針表面可能會(huì)產(chǎn)生高壓[21],為防止直流電源遭到外部高壓信號(hào)損害,在電路中安裝二極管(圖1 中D1),能夠承受較高的反向電壓而不被擊穿,同時(shí)可以防止電容器電壓高于直流電源輸出電壓時(shí),不會(huì)形成倒灌電流從而保護(hù)直流電源.另外還在電路中安裝玻璃保險(xiǎn)絲(圖1 中F1,F2),分別在電容器充電和放電情況下保護(hù)電路元件和線纜.

5)智能控制器

為了實(shí)現(xiàn)電容充放電路的遠(yuǎn)程控制,我們還需要智能控制器,其功能包括反饋電路信息、控制電路中硬件、接受并執(zhí)行計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令等.智能控制器采用模塊化設(shè)計(jì),在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)有通訊模塊、電源模塊,以及6 個(gè)控制模塊,每一個(gè)控制模塊可以控制4 路電容器.通訊模塊將以太網(wǎng)傳輸?shù)男盘?hào)轉(zhuǎn)換為RS485 信號(hào),并與各個(gè)控制模塊通訊.電源模塊將220 V 交流電轉(zhuǎn)換為12 V 直流電,供其他模塊使用.

2.3 自動(dòng)控制邏輯及控制軟件

控制電路的運(yùn)行方式有手動(dòng)和自動(dòng)兩種,進(jìn)行手動(dòng)控制時(shí),需要在計(jì)算機(jī)下達(dá)進(jìn)入所需電路工作模式的指令,該指令通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給控制器,再由控制器發(fā)送命令給各繼電器,最終通過(guò)繼電器開(kāi)關(guān)完成電路工作模式的切換.當(dāng)切換到自動(dòng)控制模式后,控制電路會(huì)根據(jù)EAST 總控系統(tǒng)給出的放電信息自動(dòng)控制和切換電路模式,同時(shí)自動(dòng)測(cè)量并記錄數(shù)據(jù).EAST 在每次放電前會(huì)發(fā)出炮號(hào)、放電時(shí)長(zhǎng)、TTL 電平觸發(fā)信號(hào)等信息,計(jì)算機(jī)接收這些信息并傳輸給控制器,再由控制器改變繼電器開(kāi)關(guān)的狀態(tài),使電容器充放電控制電路工作在相應(yīng)的模式.超級(jí)電容器充放電電路的自動(dòng)控制模式的控制流程見(jiàn)圖2.

圖2 電容充放電控制電路的自動(dòng)控制流程圖Fig.2.Flow diagram of the automatic control mode.

電路的自動(dòng)控制邏輯如下: 在EAST 實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,先打開(kāi)直流電源,并設(shè)置好輸出電壓,再進(jìn)入自動(dòng)控制模式,此時(shí)控制電路會(huì)進(jìn)入等待狀態(tài).智能控制器發(fā)出指令,繼電器開(kāi)關(guān)S1,S2,S3閉合,其余開(kāi)關(guān)保持?jǐn)嚅_(kāi),電路進(jìn)入充電模式,電源將電容器電壓充至給定值.EAST 總控會(huì)在每次放電開(kāi)始前發(fā)送炮號(hào)和放電時(shí)長(zhǎng)tL等信息,除此之外,還會(huì)通過(guò)TTL 電平信號(hào)的方式發(fā)送觸發(fā)信號(hào),作為放電開(kāi)始的標(biāo)志.智能控制系統(tǒng)會(huì)循環(huán)監(jiān)控上述信號(hào),若先接收到炮號(hào)和放電時(shí)長(zhǎng)tL信息,智能控制系統(tǒng)將閉合開(kāi)關(guān)S5,S6,并斷開(kāi)其余開(kāi)關(guān),電路進(jìn)入工作輸出模式并開(kāi)始計(jì)時(shí)t1,同時(shí)控制系統(tǒng)繼續(xù)等待觸發(fā)TTL 電平信號(hào).若在給定時(shí)間tset內(nèi)接收到觸發(fā)信號(hào),說(shuō)明放電即將開(kāi)始,則開(kāi)始計(jì)時(shí)至t2時(shí)間內(nèi)繼續(xù)保持工作輸出模式(一般t2≥tL).接收到炮號(hào)和放電時(shí)長(zhǎng)信息后,若在給定時(shí)間tset內(nèi)未接收到觸發(fā)信號(hào)(即t1>tset),則計(jì)時(shí)t3時(shí)間后電路將進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)(一般t3≥tL).若先接收到觸發(fā)信號(hào),控制器會(huì)控制電路直接進(jìn)入工作輸出模式,保持工作輸出模式t4時(shí)間后關(guān)斷(t4為EAST常規(guī)放電時(shí)長(zhǎng)).最后控制電路切換回到充電模式,開(kāi)始等待下一次放電.在自動(dòng)方式下,可隨時(shí)終止程序,并進(jìn)入關(guān)斷模式.

超級(jí)電容器控制電路的控制程序是基于Python 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的,可實(shí)現(xiàn)控制電路的遠(yuǎn)程和自動(dòng)控制,同時(shí)更直觀地監(jiān)測(cè)控制器回傳的電路信息.此外,控制軟件還具有運(yùn)行日志記錄功能,將每次運(yùn)行的狀態(tài)信息進(jìn)行記錄并予以保存,供實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行查看.控制程序有4 個(gè)不同的操作界面,如圖3 電容充放電控制軟件的設(shè)置界面,可以設(shè)置電路中各模塊的IP 地址和UDP 通訊端口等信息.計(jì)算機(jī)有兩張網(wǎng)卡,其中一張和電源、控制器模塊設(shè)置處于同一局域網(wǎng),各模塊之間通過(guò)以太網(wǎng)傳輸信息.另一張網(wǎng)卡和EAST 內(nèi)部通訊網(wǎng)絡(luò)連接,用于接收炮號(hào)和放電時(shí)長(zhǎng)信息.

圖3 電容充放電控制軟件的設(shè)置界面Fig.3.Setting interface of the capacitor charge-discharge control software.

圖4 運(yùn)行界面上排列著40 個(gè)通道的信息,可以顯示各個(gè)電容器的電壓,每個(gè)通道的狀態(tài)用灰色、黃色、藍(lán)色、橙色和紅色,分別代表受控開(kāi)路、充電模式、查看電量、電阻放電和電容輸出模式.并且可以勾選部分或者全部電容器通道,進(jìn)行相應(yīng)的控制.

圖4 電容充放電控制軟件的運(yùn)行界面Fig.4.Operating interface of capacitor charge-discharge control software.

如圖5 電容充放電控制軟件的電源設(shè)置界面上排列著10 臺(tái)直流電源的信息,可以設(shè)置各個(gè)電源的輸出電壓和電流,以及電源的連接和輸出狀態(tài).同樣可以勾選部分或者全部通道,進(jìn)行相應(yīng)的控制.

圖5 電容充放電控制軟件的電源設(shè)置界面Fig.5.Power supply setting interface of capacitor charge-discharge control software.

3 電容器充放電控制電路測(cè)試

超級(jí)電容器控制電路加工完成后將安裝到EAST 實(shí)驗(yàn)大廳預(yù)留的機(jī)柜中,包括9 臺(tái)直流電源模組、35 臺(tái)電容器模組和2 臺(tái)智能控制器模組,組裝完成的部分電路如圖6 所示.安裝完成后,對(duì)控制電路系統(tǒng)進(jìn)行電容充電、工作輸出、電阻放電等功能的測(cè)試.

圖6 組裝完成的超級(jí)電容器控制電路實(shí)物圖Fig.6.Photo of the assembled supercapacitor control circuit.

3.1 電容充電測(cè)試

在控制程序電源界面將9 臺(tái)直流電源全部打開(kāi),在運(yùn)行界面點(diǎn)擊測(cè)量電壓,電路切換至測(cè)量狀態(tài),如圖7 所示,35 臺(tái)電容器的當(dāng)前電壓約為零.在電源界面將輸出電壓設(shè)置為170 V,在運(yùn)行界面點(diǎn)擊充電模式,直流電源開(kāi)始為電容器充電,最終測(cè)得全部35 臺(tái)電容器充電曲線如圖8 所示.對(duì)于通道1—32,使用一臺(tái)直流電源同時(shí)為4 臺(tái)電容器充電,對(duì)于通道33—35,使用1 臺(tái)直流電源為3 臺(tái)電容器充電,因此CH33—35 的電容器充電速率會(huì)更快.從圖8 可以看出,各電容器充電曲線基本吻合,證明了充電電路及電容器性能的穩(wěn)定性.電容器電壓從零充至167 V 左右,耗時(shí)約16 min.為保護(hù)超級(jí)電容器,當(dāng)電容電壓超過(guò)140 V 后主動(dòng)降低電源的輸出功率,從140 V 充至167 V 耗時(shí)4 min,該時(shí)間小于EAST 一般放電間隔5 min,因此可以保證連續(xù)放電實(shí)驗(yàn)條件下,電容器輸出電壓在下一次放電時(shí)能達(dá)到設(shè)定值.

圖7 電容器的初始電壓Fig.7.Initial voltage of the capacitors.

圖8 電容器充電曲線,其中通道1—32,使用1 臺(tái)直流電源同時(shí)為4 臺(tái)電容器充電;通道33—35,使用1 臺(tái)直流電源為3 臺(tái)電容器充電Fig.8.Charge curve of capacitor.Note that one power supply is used to charge four capacitors for channel 1–32,and one power supply is used to charge three capacitors for channel 33–35.

3.2 電阻放電測(cè)試

如圖9 所示,在運(yùn)行界面點(diǎn)擊下方橙色按鈕,電路切換至電阻放電模式,此時(shí)大功率散熱電阻和電容器串聯(lián).電容電壓從167 V 降低至140 V 耗時(shí)4 分50 秒,這證明控制電路能夠通過(guò)電阻放電快速調(diào)整電容器電壓.

圖9 電阻放電的界面Fig.9.Interface of resistance discharge.

3.3 電容漏電測(cè)試

在控制界面點(diǎn)擊電壓測(cè)量,使電路再次切換到電壓監(jiān)測(cè)模式,由于平衡電阻的存在會(huì)產(chǎn)生漏電流,電容器電壓將持續(xù)下降.實(shí)際測(cè)量得到電容電壓下降隨時(shí)間的變化曲線及理論計(jì)算結(jié)果如圖10電容自然漏電曲線所示.實(shí)際電壓從167 V 降低至150 V 經(jīng)過(guò)了半小時(shí),雖然比理論計(jì)算稍快但仍然遠(yuǎn)大于放電時(shí)長(zhǎng),漏電導(dǎo)致的電壓衰減不會(huì)影響限制器探針的測(cè)量需求.

圖10 電容自然漏電曲線圖Fig.10.Natural leakage curve of capacitor.

4 電容充放電控制電路在EAST 物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用

4.1 電容輸出電壓穩(wěn)定性測(cè)試

在一次EAST 的長(zhǎng)脈沖放電過(guò)程中,等離子體電流Ip=350 kA,如圖11(a) 所示,此外低雜波加熱功率1.6 MW,電子回旋波加熱功率1 MW.如圖11(b),(c) 所示,放電過(guò)程中超級(jí)電容器的輸出電壓基本保持恒定,限制器探針測(cè)量得到的離子飽和流正常.放電結(jié)束后電容器輸出電壓僅下降2 V,符合探針測(cè)量離子飽和流的測(cè)量需求.

圖11 EAST 長(zhǎng)脈沖放電過(guò)程中(a)等離子體電流、探針 (b)偏壓和 (c)離子飽和流隨時(shí)間演化Fig.11.Temporal evolution of (a) plasma current,(b) biasing voltage and (c) ion saturation current of limiter probe during a longpulse discharge on EAST.

4.2 限制器探針在EAST 物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

限制器探針在限制器極向上分布著52 根探針,環(huán)向上共有兩列,通過(guò)切換電路可以使探針工作在懸浮電位、離子飽和流和掃描單探針三種模式下,其中探針的離子飽和流測(cè)量電路如圖12 所示.通過(guò)取樣電阻 R3兩端的測(cè)量電壓Vis,可計(jì)算得到離子飽和流:

圖12 限制器探針的離子飽和流測(cè)量電路Fig.12.Electrical circuit for ion saturation current measurement of limiter probe.

利用限制器探針可以測(cè)量邊界等離子體懸浮電位、離子飽和流、電子密度和溫度等參數(shù)的三維空間分布.在一次低雜波電流驅(qū)動(dòng)的物理實(shí)驗(yàn)中,限制器探針同時(shí)工作在上述3 種模式下,測(cè)量邊界等離子體各參數(shù)的三維空間分布,探針運(yùn)行狀態(tài)如圖13 所示.在#106532 次放電中,等離子體電流Ip=320 kA,在5 s 之前為2.45 GHz 低雜波單獨(dú)加熱,7 s 之后為4.6 GHz 低雜波單獨(dú)加熱,5—7 s之間為兩種頻率的低雜波協(xié)同加熱,如圖14(a)所示.離子飽和流和懸浮電位信號(hào)呈現(xiàn)出明顯的脈沖形式,這是由于超聲分子束注入(SMBI)引起了刮削層參數(shù)的擾動(dòng).從圖14(b),(c)可觀察到,離子飽和流在2.45 GHz 低雜波加熱時(shí)升高較4.6 GHz低雜波加熱時(shí)更為明顯,而最大的離子飽和流出現(xiàn)在兩種低雜波協(xié)同加熱時(shí).對(duì)比圖14(b),(c)同時(shí)刻所測(cè)數(shù)據(jù)可知,限制器右側(cè)的離子飽和流顯著高于左側(cè).

圖13 #106532 次放電的限制器探針工作狀態(tài)分布圖Fig.13.Circuit setup of limiter probe array for discharge#106532.

當(dāng)探針工作在掃描單探針模式時(shí),在探針上施加 -200—30 V 的高頻掃描偏壓,從而獲得探針電流和掃描電壓曲線.將散點(diǎn)按(3)式用非線性最小二乘法擬合后得到單探針的I-V掃描曲線,經(jīng)過(guò)計(jì)算得到電子密度和電子溫度等參數(shù):

其中I和V代表探針電流和電壓,Aeff為探針的有效收集面積,ji,s為離子飽和流密度,e為單位電荷,Vfl為懸浮電位.

探針?biāo)鶞y(cè)數(shù)據(jù)同樣呈現(xiàn)出明顯的脈沖形式,也是由圖15(a)中的SMBI 引起.圖15(b),(c)展示了低雜波加熱下電子溫度和密度隨時(shí)間的演化過(guò)程,2.45 GHz 低雜波加熱時(shí),限制器右側(cè)探針?biāo)鶞y(cè)電子密度約為 1.5×1018m–3,高于左側(cè)的 1.25×1018m–3;但右側(cè)探針?biāo)鶞y(cè)電子溫度約為9.5 eV,低于左側(cè)的14 eV.2.45 GHz 低雜波加熱時(shí)電子密度明顯高于4.6 GHz 低雜波,協(xié)同加熱時(shí)電子密度達(dá)到最高,約為 2×1018m–3.圖15(d),(e)展示了低雜波加熱條件下粒子通量和熱通量隨時(shí)間的演化過(guò)程,2.45 GHz 低雜波加熱比4.6 GHz 低雜波加熱對(duì)于粒子和熱通量的提升更顯著.最大粒子通量和熱通量出現(xiàn)在兩種低雜波協(xié)同加熱時(shí),最高分別可達(dá) 3.7×1022m–2·s–1和0.5 MW/m2.這表明低雜波能夠提高刮削層中電子密度、粒子通量和熱通量等參數(shù),在高參數(shù)長(zhǎng)脈沖放電情況下有可能會(huì)給限制器和第一壁材料造成較高的局部熱負(fù)荷,形成的熱斑會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)的產(chǎn)生和聚集,使得芯部約束惡化或放電破裂.限制器探針測(cè)量的三維等離子體參數(shù)是研究低雜波形成熱斑機(jī)理的一個(gè)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)依據(jù),對(duì)于維持高性能長(zhǎng)脈沖放電具有重要意義.

圖15 #106532 次放電低雜波注入功率與限制器探針測(cè)量參數(shù)隨時(shí)間演化 (a) 2.45 GHz (黑色)與4.6 GHz (紅色)低雜波注入功率,超聲分子束注入信號(hào)(橘黃色);限制器探針測(cè)量的(b)電子溫度、(c)電子密度、(d)粒子通量和(e)熱通量,其中藍(lán)色線條代表第14 號(hào)探針(位于限制器左側(cè)陣列中部),紅色線條代表第40 號(hào)探針(位于限制器右側(cè)陣列中部)Fig.15.Temporal evolution of LHW power and SOL parameters measured by limiter probe are presented as follows: (a) LHW power of 2.45 GHz antenna (black) and 4.6 GHz antenna (red),along with the SMBI signal (orange);(b) electron temperature;(c) electron density;(d) particle flow;(e) heat flow.The blue lines represent channel 14 (in the left array of the limiter,near the midplane),and the red lines represent channel 40 (in the right array of the limiter,near the midplane).

5 結(jié)論

EAST 限制器探針安裝在限制器兩側(cè),具有很高的空間分辨率,為了提高使用效率,限制器探針將會(huì)根據(jù)物理測(cè)量需求同時(shí)運(yùn)行在3 種測(cè)量模式下: 懸浮電位測(cè)量、離子飽和流測(cè)量和掃描單探針模式.針對(duì)需求量較大的離子飽和流測(cè)量,我們研發(fā)了基于大容量電容器的充放電控制電路.相比于一些磁約束聚變裝置使用9 V 干電池組作為探針偏壓,大容量電容器為探針供電具有電壓設(shè)置靈活、易于維護(hù)和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn).首先,根據(jù)限制器探針診斷的測(cè)量需求,設(shè)計(jì)了超級(jí)電容器充放電控制電路,能夠?qū)崿F(xiàn)電容充電、工作輸出、電阻放電和關(guān)斷4 種功能.對(duì)于電路對(duì)核心部件電容器,根據(jù)EAST 實(shí)驗(yàn)放電時(shí)長(zhǎng)和間隔、邊界等離子體參數(shù)等信息,經(jīng)過(guò)理論計(jì)算,選擇了容量為6 F 和最高電壓為180 V 的超級(jí)電容器.隨后,對(duì)電路中的直流電源、繼電器開(kāi)關(guān)、電阻、二極管、保險(xiǎn)絲和智能控制器等硬件進(jìn)行了選型.限制器探針是EAST 的常規(guī)診斷,并且工作在強(qiáng)輻射環(huán)境中,因此需要實(shí)現(xiàn)電容電路的遠(yuǎn)程和自動(dòng)控制.我們基于Python語(yǔ)言編寫(xiě)了電容器充放電控制電路的控制程序,它具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行模式.在自動(dòng)運(yùn)行模式下,控制電路可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)在EAST 放電期間切換至工作模式,即電容器為探針輸出偏壓,在放電間隔時(shí)切換至充電模式,為電容器充電,同時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄電容器的工作狀態(tài).將電容器充放電控制電路在實(shí)驗(yàn)室安裝好后,對(duì)電路的充電、電阻放電、工作輸出功能和自然漏電速率進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表明電路系統(tǒng)均可正常工作,滿足EAST 物理實(shí)驗(yàn)的需求.最后,將限制器探針應(yīng)用于EAST 實(shí)驗(yàn),在60 s 長(zhǎng)脈沖放電中,電容器輸出偏壓穩(wěn)定,所測(cè)離子飽和流數(shù)據(jù)正常.在一次低雜波電流驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中,利用限制器探針同時(shí)觀測(cè)到懸浮電位、離子飽和流、電子溫度、密度、粒子通量和熱通量的空間分布.研究發(fā)現(xiàn)2.45 GHz 低雜波加熱相較于4.6 GHz 時(shí)離子飽和流的提升更明顯,當(dāng)兩種低雜波協(xié)同加熱時(shí)離子飽和流達(dá)到最大值,且限制器右側(cè)離子飽和流顯著高于左側(cè);同時(shí)掃描單探針測(cè)量到,2.45 GHz 低雜波加熱相較于4.6 GHz 低雜波加熱,刮削層電子密度、粒子通量和熱通量有更明顯的提升,且限制器右側(cè)電子密度高于左側(cè).這一物理觀測(cè)有利于理解低雜波加熱等離子體的物理機(jī)制和改善低雜波引起的第一壁熱斑效應(yīng).本文研發(fā)的基于大容量電容器的充放電控制電路,能夠在強(qiáng)輻射環(huán)境中安全和可靠地運(yùn)行,且能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,在未來(lái)的聚變堆環(huán)境中有重要應(yīng)用潛力.