一种深大磁环环壁的清洗系统及方法

本发明涉及磁环壁清理，更具体的涉及一种适用于深大磁环环壁的清洗系统及方法。

背景技术：

1、深大磁环作为独特的稳态螺旋等离子体实验装置，目的是研究聚变堆等离子体边缘的刮削层。在聚变堆中，大部分等离子体被封闭的磁力线约束；而更外侧的开放磁力线构成了刮削层。刮削层的厚度仅为厘米量级，在此尺度下仪器很难对期中的等离子体进行诊断或探测。为了研究刮削层中的等离子体，深大磁环提供了一种独特的磁约束磁场位形，它的开放磁力线从装置顶部螺旋绕行到装置底部。这种磁力线结构与聚变堆刮削层的磁力线结构极为类似。

2、深大磁环是一个环向对称的装置，如图3所示，微波在外侧窗口注入后在共振面产生等离子体，带电粒子沿磁力线快速运动形成密度的环向对称，而在沿半径方向的径向和垂直方向存在密度非均匀分布。为了测量深大磁环的等离子体在径向和纵向上的电子密度，分别在径向和真空室顶部安装了水平探针和竖直探针，如图4所示。水平探针为4电极朗缪尔探针，竖直探针为8电极朗缪尔探针，分别安装在探针靶板上。为了测量一定范围内的电子密度和温度，探针靶板与步进电机连接在一起，通过步进电机控制探针深入等离子体的距离，从而实现定点测量。

3、固体杂质层对聚变堆的第一壁表面可能带来热负荷增加、材料腐蚀、辐射损伤以及粒子释放和污染等危害。因此，在聚变堆设计和运行中，需要采取适当的措施来减少固体杂质层的形成和影响。等离子体壁清洗的目的是清除上述杂质层，使等离子体与壁之间的相互作用更加可控和稳定。常见的等离子体壁清洗技术包括机械清洗、化学清洗和放电清洗等。目前，聚变堆的壁清洗面临的重要问题是放电清洗的均匀性问题。壁清洗的均匀性是指能够在反应堆第一壁的整个表面均匀去除杂质的能力。导致壁清洗不均匀的本质原因是粒子密度分布不均，无法对壁表面均匀的轰击。非均匀的清洁可能导致局部区域的杂质浓度较高，对等离子体性能、能量约束和整体反应堆效率产生负面影响。

4、深大磁环在进行壁清洗时，需要诊断壁表面附近电子密度的分布，确认径向和垂直方向上壁表面粒子的电子密度分布，从而可以通过主动调整磁场来改变粒子的分布和入射角度，最终提高清洗的均匀度。传统的测量聚变堆等离子体电子密度的方法有激光干涉法、微波干涉法、比色法、激光折射法、热电偶法等，传统的方法在测量深大磁环壁表面的电子密度时，存在测量范围无法完整覆盖所选极向剖面的壁表面，无法精确控制等离子体的电子密度分布，导致深大磁环环壁清洗不均匀。

技术实现思路

1、针对上述领域中存在的问题，本发明提出了一种深大磁环环壁的清洗系统及方法，能够解决在测量深大磁环壁表面的电子密度时，存在测量范围无法完整覆盖所选极向剖面的壁表面，无法精确控制等离子体的电子密度分布，导致深大磁环壁清洗不均匀的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明公开了一种深大磁环环壁的清洗系统，所述深大磁环包括tf线圈、vf线圈和真空室，所述真空室为截面为矩形的环形结构，所述tf线圈纵向卷绕在磁环壁的外侧；所述vf线圈横向环绕在tf线圈的外侧；其特征在于，所述清洗系统包括：

3、微波注入装置，位于所述真空室的外部一侧，所述真空室的外部一侧开设有微波注入位置窗口；所述微波注入装置用于穿过所述微波注入位置窗口后在共振面产生等离子体；

4、多个探针靶板，位于同一极向剖面内，安装在所述真空室内壁的垂直方向、底面和顶面；每个所述探针靶板上均设置有多个沿所述探针靶板长度方向呈梳齿状直线排列的探针；所述探针用于与等离子体接触后产生电压信号；

5、控制模块，用于控制tf线圈和vf线圈通电执行清洗，根据所述与等离子体接触后产生电压信号，获得壁表面等离子体横向和纵向的壁表面电子密度分布；根据获得的等离子体横向和纵向的壁表面电子密度分布，计算清洗前预设的电子密度峰值位置与清洗后实际电子密度峰值位置的偏移量，并判断该偏移量是否在预设的允许范围内；

6、其中，若偏移量在允许范围之外，所述控制模块调整tf线圈电流，通过改变环向磁场使电子回旋波与等离子体共振位置发生变化，进而改变横向电子密度峰值位置；所述控制模块调整vf线圈电流，改变垂直磁场使磁力线倾角发生变化，改变纵向电子密度，使密度峰值接近预设位置。

7、优选地，所述tf线圈为16柄串联，产生的最高磁场为0.2t，通过所述tf线圈电源调整线圈电流来调整环向磁场。

8、优选地，所述vf线圈为3柄串联，产生的最高磁场为环向磁场的5％，通过所述vf线圈电源调整线圈电流来调整垂直磁场；所述vf线圈与所述tf线圈共同产生从所述真空室顶部到底部的螺旋形磁力线。

9、优选地，所述探针靶板包括基板、前防护板、后防护板；所述基板固定在所述真空室壁上；所述前防护板、后防护板分别位于所述基板的前后两侧，与所述基板平行设置，通过固定螺栓将所述基板、前防护板和后防护板的两端固定安装在所述基板上；所述基板和前防护板上对应设置有多个与所述探针安装位置对应的通孔，每个所述通孔中均设置有绝缘陶瓷柱，所述探针安装在所述绝缘陶瓷柱中。

10、优选地，所述探针为一维朗缪尔探针阵列，且所述探针为单极探针，每块所述探针靶板上有10个朗缪尔探针呈梳齿状直线排列；在所述真空室内壁的垂直方向上每侧内壁布放10块所述探针靶板，在其顶面和底面分别布放5块所述探针靶板，整个所述真空室内壁的极向剖面布放60块所述探针靶板，共安装有600个所述探针。

11、优选地，还包括数据转化模块，用于将所述探针与等离子体接触后产生的电压信号转化为数字信号。

12、优选地，还包括数据管理模块，用于将所述数据转化模块得到的数字信号通过光纤传输到高速采集卡，将高速采集卡采集得到的数据经mdsplus文件管理系统分发到数据存储服务器。

13、优选地，还包括数据存储模块，用于读取所述数据存储服务器中的数据，并发送至数据处理服务器，经所述数据处理服务器处理，得到等离子体横向和纵向的壁表面电子密度分布，并反馈给所述控制模块。

14、优选地，还包括一种深大磁环环壁的清洗系统的清洗方法，包括以下步骤：

15、通过设置在所述真空室的外部一侧的微波注入装置，穿过设置在所述真空室的外部一侧的微波注入位置窗口后，在共振面产生等离子体；

16、根据多个安装在所述真空室内壁的垂直方向、底面和顶面同一极向剖面内的探针靶板，每个所述探针靶板上均设置有多个沿所述探针靶板长度方向呈梳齿状直线排列的探针；所述探针与等离子体接触后产生电压信号；

17、控制用于产生环向磁场的tf线圈和用于产生垂直磁场的vf线圈通电执行清洗，根据所述探针与等离子体接触后产生的电压信号，获得等离子体横向和纵向的壁表面电子密度分布；根据获得的等离子体横向和纵向的壁表面电子密度分布，计算清洗前预设的电子密度峰值位置与清洗后实际电子密度峰值位置的偏移量，并判断该偏移量是否在预设的允许范围内；

18、其中，若偏移量在允许范围之外，所述控制模块调整tf线圈电流，通过改变环向磁场使电子回旋波与等离子体共振位置发生变化，进而改变横向电子密度峰值位置；所述控制模块调整vf线圈电流，改变垂直磁场使磁力线倾角发生变化，改变纵向电子密度，使密度峰值接近预设位置。

19、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

20、本发明设置的清洗系统，通过设置的呈一维阵列排列的朗缪尔探针，经在一个极向剖面的壁表面布置后，进行信号采集，获取等离子体横向和纵向的壁表面电子密度分布，可以实现对壁表面附近、横向和纵向上对电子密度分布的完整诊断；通过设置的控制模块与、线圈微波、数据采集和数据处理过程耦合，能够精确控制壁表面粒子的分布情况，使得厘子分部均匀，可以对壁表面进行均匀轰击来探测壁表面的电子密度分布，为控制粒子分布提供依据；控制模块在放电过程中对磁场的实时调节，使线圈电源按照预设方案运行；设置的控制模块改变tf线圈电流来改变环向磁场，进而改变共振位置，最终改变横向电子密度峰值位置；在与预设密度峰值位置比较后，进行迭代，最终使电子密度峰值位置与预设位置的偏差小于允许的误差范围；通过改变vf线圈电流来改变垂直磁场，进而改变磁力线的倾角，使纵向电子密度分布发生变化；设置纵向的电子密度峰值位置与线圈系统进行迭代，使密度峰值接近预设位置；实现对共振位置的反馈控制，从而提高壁清洗的均匀性和清洗效率。