بخشی از مقاله
چکیده:
به طور کلی میدانهای قطبی - θ - و شعاعی - r - و مشتقات زمانی آنها نقش بسیار مهمی در تعیین شرایط تعادل و پایداری توکامکها ایفا میکنند. متداولترین روش برای اندازهگیری میدانهای قطبی و شعاعی، استفاده از آرایهای از پروبهای مغناطیسی از نوع پیچههای پیکاپ1 است. برای اندازهگیری این میدانها در توکامک الوند، آرایهای از چهار پروب مغناطیسی طراحی شده است که محل قرار گیری آنها بر روی محفظهی خلاء میباشد.
از آنجایی که ولتاژ خروجی پروب مغناطیسی که بر اثر جریان القایی حاصل از میدان مغناطیسی متغیر ایجاد میشود متناسب با مشتق زمانی میدان است، برای به دست آوردن مقدار B باید از ولتاژ خروجی انتگرالگیری نمود. به این منظور مدارات انتگرالگیر پروب طراحی گردید. سپس برای تحلیل خروجی پروبهای مغناطیسی و در نتیجه استفاده از مقدار میدان مغناطیسی اندازهگیری شده، با طرح آزمایشی ضریب کالیبراسیون این پروبها بهدست آمد. در پایان نتایج اولیهی به دست آمده از تست پروبهای مغناطیسی در چند شات نمونهای توکامک و تحلیل سیگنالهای گرفته شده از آنها ارائه شده است.
مقدمه:
میدان مغناطیسی یکی از مهمترین مشخصههای پلاسما است و اطلاع از آن برای فهم رفتار پلاسما مورد نیاز است. به اندازهگیریهایی که بر اساس دریافت مستقیم میدان مغناطیسی در قسمتهای مختلف بیرونی و درونی پلاسما، با استفاده از پروبهای مغناطیسی صورت میگیرد تشخیص مغناطیسی2 گفته میشود. یکی از سادهترین روشها برای اندازهگیری میدان مغناطیسی در مجاورت یک نقطه در فضا، توسط یک پیچهی کوچک شامل تعدادی دور سیم میباشد
پیچهی مغناطیسی پیکاپ از انواع دستگاههای تشخیصی پلاسما است که امکان طراحی و ساخت آن برای توکامک الوند قابل بررسی است. مطالعات مربوط به تعادل پلاسما یکی از اساسیترین مسائل مربوط به محصورسازی مغناطیسی پلاسما است. به عبارت دیگر کنترل موقعیت پلاسما نقش اساسی در محصورسازی پلاسما و به دست آوردن عملکرد بهینهی پلاسمای توکامک دارد. به دلیل وابستگی موقعیت پلاسما و توزیع جریان پلاسما به توزیع میدان مغناطیسی اطراف پلاسما، پروبهای مغناطیسی پیکاپ میتوانند اطلاعاتی در مورد موقعیت پلاسما و یا پارامتر شفرانوف3 به دست دهند که از جمله مهمترین کاربردهای این دسته از پروبهای مغناطیسی میباشند.
بر اساس قانون القای فارادی، ولتاژ خروجی پیچهی مغناطیسی که بر اثر جریان القایی حاصل از میدان مغناطیسی متغیر ایجاد میشود به صورت زیر میباشد:
که V ولتاژ پیچهی مغناطیسی، n تعداد دورها، A سطح مقطع پروب بر حسب m2 و dB/dt سرعت تغییر میدان مغناطیسی بر حسب T/S میباشد. از آنجایی که ولتاژ خروجی پروب متناسب با dB/dt میباشد برای به دست آوردن مقدار B باید از ولتاژ خروجی انتگرالگیری نمود تا یک سیگنال متناسب با میدان به دست آید:
که RC ثابت زمانی انتگرالگیر است و باید حداقل 10 برابر از زمان مشاهدهی سیگنال بزرگتر باشد تا انتگرالگیری به طور صحیح انجام شود.در طراحی پروبهای مغناطیسی باید دقت لازم به عمل آید تا پروب مغناطیسی از حساسیت قابل قبولی برخوردار باشد چرا که خروجی آن به قدری باید بزرگ باشد که به راحتی از نویزهایی که بر اثر تأثیر قسمتهای دیگر سیستم ایجاد میشوند، قابل تفکیک باشد. همچنین ساختار و اندازهی پروب به گونهای باشد که کمترین اختلال ممکن را در سیستم ایجاد نماید. علاوه بر اینها پاسخ فرکانسی پروب باید بالا بوده و پاسخگوی تغییرات سریع سیستم باشد. پاسخ فرکانسی پروب با رابطه زیر تعریف میشود:
که نشان دهندهی کوچکترین فاصله زمانی در تغییر پلاسما است که پروب میتواند آن را تفکیک کند. در اینجا L اندوکتانس پروب و R0 مقاومت مدار خارجی پروب مغناطیسی است .[4] بنابراین در ساخت پروب حالت بهینهای که همهی شرایط مذکور را در حد قابل قبولی دارا باشد، مدنظر می باشد.
توکامک الوند:
توکامک الوند یکی از توکامکهای سایز کوچک تحقیقاتی است که دارای پلاسمای با سطح مقطع دایروی میباشد. این توکامک اولین توکامک ساخته شده در ایران است و در حال حاضر واقع در مرکز تحقیقات پلاسما و گداخت سازمان انرژی اتمی میباشد. از این توکامک برای اندازهگیری پارامترهای پلاسما و تحقیق در مشخصات فیزیکی آن استفاده شده است. مشخصات فنی این توکامک به شرح جدول - 1 - میباشد.
جدول شماره - 1 - مشخصات فنی توکامک الوند
طراحی و ساخت پروبهای مغناطیسی:
برای اندازهگیری میدان مغناطیسی در توکامک الوند، از چهار پیچهی مغناطیسی که از نوع پیچهی چند لایه با هستهی هوا هستند4 استفاده میشود. این دسته از پیچهها بستگی به یک مادهی فرومغناطیس برای دریافت اندوکتانس معین خود ندارند و بخش مرکزی چنین پیچههایی که سیمها به دور آن پیچیده شدهاند، تنها متشکل از هوا میباشد. برای طراحی هر کدام از پیچههای مغناطیسی از 580 دور سیم به قطر 0/16 mm استفاده شده است که پیچههای حاصل شده دارای ضخامت یا طول 5 mm، قطر بیرونی 18 mm و قطر داخلی 10 mm میباشند.
در جدول - 2 - پارامترهای پروبهای طراحی شده با توجه به محل قرارگیری آنها برروی چنبرهی خلأ نشان داده شده است. پروبهای قرار گرفته در زوایای 2/ و 3/2 به منظور اندازهگیره مولفهی شعاعی میدان مغناطیسی و پروبهای قرار گرفته در زوایای 0 و به جهت اندازهگیری مولفهی قطبی میدان مغناطیسی درنظر گرفته شدهاند.
جدول شماره - 2 - موقعیت قرارگیری و پارامترهای پیچههای طراحی شده
شکل - 1 - شماتیک محل قرارگیری پروبها را بر روی محفظهی خلأ نشان میدهد.
