[发明专利]一种多台阶式静电探针探头

说明书

本发明公开了一种多台阶式静电探针探头，一种多台阶式静电探针探头，包括石墨护套、第一双探针、第二双探针、第一悬浮电位探针、第二悬浮电位探针、第三悬浮电位探针、第四悬浮电位探针、第五悬浮电位探针、第一马赫探针和第二马赫探针；本发明将上述9个探针分别布置在径向第一台阶面、径向第二台阶面和径向第三台阶面上。本发明不仅能够测量常见三探针和四探针能测量的物理量以及径向电场中的三项，还能测量湍流的径向的多尺度结构和极向的多尺度结构，且具有针头数量少、尺寸小的优点。

技术领域

本发明涉及静电探针技术领域，具体涉及一种多台阶式静电探针探头。

背景技术

边缘等离子体湍流是制约托卡马克约束性能的关键。托卡马克等离子体富含多尺度湍性扰动和复杂的多尺度非线性相互作用，研究高约束等离子体中多时空尺度多模非线性相互作用的机理，理解多尺度湍流非线性自组织过程非常重要。湍流在径向和极向上的结构不相同，频率范围大约在0-1MHz，波数范围大约是0-100cm^-1。一般来说，每个湍流诊断都有特定的测量范围，同时进行多尺度湍流诊断是有难度的。

边缘区的湍流及其输运与径向电场及其剪切互相影响。强径向电场及其剪切可以在很大程度上抑制边缘湍流及其输运，弱径向电场及其剪切对湍流的影响较小；强湍流及输运也会减弱径向电场及其剪切。因此对于径向电场的测量非常重要。根据力平衡方程，径向电场即径向电场由压强梯度项极向流项(-V_θB_φ)以及环向流(V_φB_θ)三项组成。研究这三项中哪一项在径向电场中占主导作用，有利于针对性控制湍流输运。另外这三项对不同尺度的湍流作用不同，所以同时测量径向电场这三项的大小和演化趋势非常重要。

目前对于边缘湍流及其输运的测量主要是采用朗缪尔静电探针，主要的测量方式包括单探针和双探针对两种基本探针：

1.单探针测量悬浮电位：

探针悬浮于等离子体中，其对地电位为悬浮电位V_f

2.双探针对：

两个静电探针放置于等离子体中，根据探针测量原理，在两探针之间加上恒定偏压，分别测量两探针的对地电压分别为V₊和V_{_}，即可得到等离子体离子饱和流I_s。

3.马赫探针对：

两个托卡马克环向的探针，加上足够大的负偏压使得探针电流饱和，分别测量只面向上游和下游的离子饱和流I_si上游和I_si下游，两者的比值可以用来计算环向马赫数，进而计算环向等离子旋转速度。

将悬浮电位探针和双探针结合成三探针，还可以测量等离子体密度和温度以及电位如下：电子温度：T_e＝(V₊-V_f)/ln2密度等离子体电位V_p＝V_f+2.8T_e,其中S为探针有效测量面积,R为电路的采样电阻，进而可以计算径向电场利用两个悬浮电位探针和双探针的组成四探针还可以测量不同的等离子体参数，例如热通量(q＝7×I_s×T_e)以及能量衰减长度极向电场(E_θ)、径向速度扰动径向扰动粒子通量的径向剖面以及湍流极向结构参数。