بخشی از مقاله
چکیده:
حسگر روگوفسکی شامل پیچهی روگوفسکی و انتگرالگیر مربوط به آن برای اندازهگیری مشخصههای جریان پلاسما در توکامک الوند، طراحی و ساخته شد. طراحی این حسگر بهگونهای انجام شده که پاسخ فرکانسی آن از 0/707 Hzتا - 15kHzاین محدودهی فرکانسی دربردارندهی فرکانس کاری سیستم مورد آزمایش - 60 Hz - است - خطی است. ا
ین پیچه با طول فرمدهندهای کافی و فضای کم، بهراحتی محفظه خلأ توکامک را در برمیگیرد و دو انتهای آن بدون شکاف همردیف میشوند. لذا از تداخل میدانهای مغناطیسی رساناهای مجاور و سایر منابع جلوگیری به عمل آمده است. بهعبارتدیگر نسبت به تغییر موقعیت مرکزی جریان پلاسما ایمن خواهد بود. این حسگر پس از انجام مراحل کالیبراسیون، بر روی توکامک الوند نصب گردید و نتایج تجربی تست حسگر در شرایط حضور پلاسما در این مقاله ارائه میشود.
مقدمه:
توزیع جریان ا سا سیترین م شخ صه پلا سمای توکامک ا ست که اندازهگیری آن در خارج از پلا سما، برای کنترل عملکرد توکامک ب سیار حائز اهمیت ا ست .[1] همچنین این پارامتر در تعیین مقاومت پلا سما، چگالی توان گرمایش اهمی و چگالی انرژی پلاسما توکامک مورد استفاده قرار میگیرد. از حسگر روگوفسکی برای اندازهگیری جریانهای متغیر و گذرا بر اساس قانون القای الکترومغناطیسی فارادی استفاده میشود .[2] پیچهی روگوفسکی بهطور گسترده در پلاسماهای حلقوی مانند توکامک، مورد استفاده قرار میگیرد و میتواند جریان و مشتق جریان پلاسما را اندازهگیری کند.
روش کار
طراحی حسگر روگوفسکی: مدار معادل پیچه مشابه شکل -1 - الف - است که در آن Lc و rc به ترتیب اندوکتانس و مقاومت اهمی پیچه هستند. با توجه به مدار معادل پیچه و با صرفنظر از خازن پراکندگی میتوان نوشت:
یکی از ویژگیهای مهم در طراحی پیچهی روگوفسکی زمان مشخصهی پیچهی مغناطیسی مطابق با رابطهی - 2 - است. این زمان باید تا حد ممکن کوچک باشد تا تمام هارمونیکهای سیگنال را دنبال نماید یا بهعبارتدیگر مدت زمانی که طول میکشد تا میدان به داخل پیچه نفوذ کند، لذا مشخصهای تحت عنوان پاسخ فرکانسی مطرح خواهد شد . طبق تعریف پاسخ فرکانسی، فرکانسهایی با بزرگی مشابه یا کمتر از فرکانس مشخصه قابلاندازهگیری است.
شکل : - 1 - الف- مدار معادل پیچه روگوفسکی ب- مقطع دایروی حسگر برای محاسبه اندوکتانس خودی
طراحی این حسگر بهگونهای صورت گرفته که دربردارندهی فرکانس کاری توکامک الوند - یعنی - 60 Hz است - پهنای باند حسگر از 0/707 Hz تا 15 kHz است - و میتواند پاسخگوی تغییرات سیستم باشد. برای این منظور، با توجه به رابطهی اندوکتانس خودی و متقابل در سطح مقطع دایروی - روابط - 4 - و - - 5 - مطابق با شکل -1 - ب - ، پارامترهای ساختاری این پیچه محاسبه گردید. عواملی مانند طول فرم دهنده پیچه متناسب با شعاع محفظه خلأ توکامک و محدودیتهای فضایی نیز در این محاسبات لحاظ شدهاند.
ساخت حسگر روگوفسکی: به لحاظ ساختاری این حسگر، یک سیمپیچ با N=3366 دور است که بر روی یک هستهی غیرمغناطیسی از جنس تفلون و به شعاع هستهی b2−a=0/55 cm پچیده شده است. ضریب نفوذپذیری تفلون نزدیک به ضریب نفوذپذیری هوا است که موجب عدم تأثیرگذاری بر اندوکتانس، اشباعشدگی و جریانهای گردابی میشود و سبب میشود حسگر رفتار خطی خود را حفظ کند. لازم به ذکر است تعداد دور سیمپیچ بهشدت در تعیین حساسیت و پهنایباند کاری حسگر نیز تأثیرگذار است که با در نظر گرفتن این تعداد دور، ولتاژ خروجی حسگر از بهره بالایی برخوردار است .[4] لذا سیگنال خروجی بهراحتی از نوفه تفکیک خواهد شد.
ضخامت سیم مورداستفاده 0/20mm معادل32AGW1 است. این سیم بهطور فشرده، یکنواخت و بدون شکاف حول فرمدهنده پیچیده شده است، این امر جریان نشتی را به حداقل میرساند. بهمنظور آنکه حسگر محفظه خلأ را پوشش دهد و دو انتهای آن، بدون شکاف همردیف شوند؛ مجموع شعاع محفظه خلأ توکامک و شعاع داخلی حسگر روگوفسکی لحاظ شد و فرمدهندهای به شعاع 13/15cm در نظر گرفته شد.
حلقهی برگشت نیز در طول محور فرمدهنده و در خلاف جهت، از مرکز حسگر عبور داده شد. درنهایت این حسگر با یک لایه کابل شرینک نسبت به محیط عایق شد. پارامترهای حسگر روگوفسکی ساختهشده برای توکامک الوند در جدول - 1 - لیست شدهاند. سیگنال اندازهگیری شده قبل از اتصال به سیستم دریافت داده توسط یک انتگرالگیر اکتیو انتگرالگیری خواهد شد و سپس از طریق یک کابل هممحور RG58U به اتاق کنترل انتقال داده میشود.
جدول : - 1 - پارامترهای حسگر روگوفسکی ساختهشده برای توکامک الوند
طراحی و ساخت انتگرال گیر: شماتیک مدار انتگرالگیر در شکل - 2 - قابل مشاهده است. ثابت زمانی این انتگرالگیر اکتیو، ده برابر زمان مشاهده سیگنال لحاظ شده است. با اتصال ورودی به پایهی دو تقویتکننده عملیاتی اتصال معکوس را خواهیم داشت که در این حالت ورودی و خروجی اختلاف فاز دارند
برای از بین بردن آفست، مقاومت بزرگی از پایهی مثبت تقویتکننده زمین میگردد. سوئیچی برای دشارژ بار الکتریکی باقیمانده در خازن Cf پس از هر مرتبه اندازهگیری جریان پلاسما در نظر گرفته شده است. درنتیجه خطای تجمع سیگنال در شاتهای متوالی از بین خواهد رفت. این انتگرالگیر بهگونهای طراحی شده است که پاسخ مناسبی به فرکانس پایین داشته باشد. بهعبارتدیگر مانند یک فیلتر پایین گذر عمل میکند تا شکل موج جریان پلاسما را به درستی نشان دهد.
کالیبراسیون حسگر روگوفسکی: قبل از نصب حسگر روگوفسکی بر روی توکامک الوند این حسگر در مقایسه با یک حسگر روگوفسکی تجاری ساخت شرکت پیرسون الکترونیک2 در یک مدار شبیهساز توکامک، کالیبره شده و دقت آن حدود %10 تخمین زده شده است. برای این منظور مداری RLC که شبیهساز پلاسمای توکامک است - مطابق با شکل - - 3 - طراحی شده است
