一种基于电子回旋波的阿尔芬模实时控制系统及方法与流程

1.本发明属于主动控制技术领域，具体涉及一种基于电子回旋波的阿尔芬模实时控制系统及方法。
技术背景
2.在磁约束等离子体中存在大量高能量粒子，如快电子、快离子和α粒子等。高能量粒子与阿尔芬波相互作用能够激发不同类型的阿尔芬模，主要包括阿尔芬本征模和高能粒子模。证据表明，这些不稳定性极可能破坏环对称性增强输运从而导致大量高能量粒子损失，严重时甚至烧毁磁约束装置第一壁。这对维持核聚变反应、获取聚变高增益及磁约束聚变装置的安全运行极其不利。此外，阿尔芬模会降低外部辅助加热效率从而造成严重的资源浪费。因此，为了避免阿尔芬模的潜在危害，必须采取有效的方法进行控制和缓解。目前，能够有效控制或者缓解阿尔芬模的技术方法主要包括大动量中性束注入、电子回旋共振加热/电子回旋电流驱动(ecrh/eccd)及共振磁扰动等。但是大动量中性束注入和共振磁扰动缓解和抑制阿尔芬模这两种方法仅仅在极少数装置上成功实现，其中潜在的物理机制仍需要进一步研究。ecrh/eccd缓解和控制阿尔芬模则在多个实验装置上均有发现相关现象。研究表明ecrh/eccd通过降低阿尔芬模局域位置处的高能量粒子压强从而减小高能量粒子驱动，通过改变连续谱阻尼增强模的阻尼机制从而实现阿尔芬模的缓解和抑制。但是除了美国diii
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d装置成功实现中性束主动控制阿尔芬之外，世界范围内并没有其他装置能够开展阿尔芬模的实时控制。为了避免阿尔芬模导致等离子体约束性能下降，本发明提出一种基于电子回旋共振加热/电流驱动并结合高时空分辨率实时测量技术、快速智能识别技术和精确可控射频波注入技术实现阿尔芬模的实时控制方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种基于电子回旋波的阿尔芬模实时控制系统及方法，能够实时高时空分辨率测量阿尔芬模的空间位置等基本信息，快速智能完成阿尔芬模的识别和鉴定并能够精确控制微波注入角度从而实现阿尔芬模的实时控制。
4.本发明采用的技术方案：
5.一种基于电子回旋波的阿尔芬模实时控制系统，包括磁约束高温等离子体、高时空分辨率电子回旋辐射计、多通道反射计、米尔诺夫探针、阿尔芬模快速智能识别算法、中央处理器、电子回旋共振加热控制系统、回旋管、槽纹波导、真空法兰、可控角度天线系统，多通道电子回旋辐射计、多通道微波反射计、米尔诺夫探针与磁约束高温等离子体和阿尔芬模智能识别算法连接、阿尔芬模智能识别和控制算法与中央处理器连接、中央处理器与电子回旋共振加热控制系统连接，电子回旋共振加热控制系统与回旋管连接，回旋管与槽纹波导、真空法兰、可控角度天线系统依次连接，可控角度天线系统与磁约束高温等离子体连接。
6.所述电子回旋共振加热控制系统与可控角度天线系统连接。
7.所述多通道电子回旋辐射计用于测量由温度扰动构成阿尔芬模径向模结构。
8.所述测量方法为，在等离子体放电过程中，对多通道电子回旋辐射计采集到的信号进行傅里叶变换，通过频谱分析找到阿尔芬模的频率范围，进行数值滤波，选取相同时刻、不同位置的温度扰动组合成一个径向分布。
9.所述径向分布为阿尔芬模的径向模结构，最大值处就是阿尔芬模所在的空间位置。
10.所述微波反射计用于测量由电子扰动构成阿尔芬模径向模结构。
11.所述测量方法为，在等离子体放电过程中，对微波反射计采集到的信号进行傅里叶变换，通过频谱分析找到阿尔芬模的频率范围，然后进行数值滤波，选取相同时刻、不同位置的密度扰动组合成一个径向分布。
12.所述径向分布就是阿尔芬模的径向模结构，最大值处就是阿尔芬模所在的空间位置。
13.所述米尔诺夫探针用于测量阿尔芬模的环向模数和极向模数，其中环向模数由环向米尔诺夫探针测量，极向米尔诺夫探针由极向米尔诺夫探针测量。
14.所述测量方法如下：在等离子体放电过程中，对米尔诺夫探针采集到的信号进行傅里叶变换，通过频谱分析找到阿尔芬模的频率范围，然后对所有探针信号进行数值滤波，选取第一个通道的波峰参考点，依次比较各个通道探针信号相邻波峰的相位，观察第一探针和最后一个探针的相位差；当相位差为2π是，模数就是1，当相位差为4π是，模数就是2，依此类推。
15.一种基于电子回旋波的阿尔芬模实时控制系统的控制方法，通过高时空分辨率电子回旋辐射计、多通道反射计和米尔诺夫探针实时测量磁约束高温等离子体中高能量粒子激发的阿尔芬模的模数、振幅和空间位置信息，阿尔芬模智能识别和控制算法根据高时空分辨率电子回旋辐射计、多通道反射计和米尔诺夫探针的输入数据对模进行鉴定并给出能够有效抑制该模式所需电子回旋波功率、入射角度及沉积位置，输出结果将反馈给中央处理器，随后中央处理器给电子回旋控制系统发送指令，回旋管收到电子回旋控制系统的启动指令后投入工作，将大功率微波通过槽纹波导、真空法兰和可控角度天线系统注入磁约束高温等离子体的指定位置。
16.所述电子回旋控制系统直接给可控角度天线系统发送指令从而实现微波注入角度的变化。
17.本发明的优点在于，能够实时高时空分辨率测量阿尔芬模的空间位置等基本信息，快速智能完成阿尔芬模的识别和鉴定并能够精确控制微波注入角度从而实现阿尔芬模的实时控制。
附图说明
18.图1为本发明提供的一种基于电子回旋波的阿尔芬模实时控制系统结构图；
19.图2为hl
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2a装置上ecrh有效缓解和抑制高能量粒子驱动的鱼骨模。
20.图中：1
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磁约束高温等离子体、2
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高时空分辨率电子回旋辐射计、3
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多通道反射计、4
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米尔诺夫探针、5
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阿尔芬模快速智能识别算法、6
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中央处理器、7
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ecrh控制系统、8
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回旋管、9
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槽纹波导、10
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真空法兰、11
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可控角度天线系统。
具体实施方式
21.下面结合附图对具体实施例对本发明提供的一种基于电子回旋波的阿尔芬模实时控制系统及方法进行进一步说明。
22.如图1所示，本发明提供的一种基于电子回旋波的阿尔芬模实时控制系统包括磁约束高温等离子体1、高时空分辨率电子回旋辐射计2、多通道反射计3、米尔诺夫探针4、阿尔芬模快速智能识别算法5、中央处理器6、ecrh控制系统7、回旋管8、槽纹波导9、真空法兰10、可控角度天线系统11，多通道电子回旋辐射计2、多通道微波反射计3、米尔诺夫探针4与磁约束高温等离子体1和阿尔芬模智能识别算法5连接、阿尔芬模智能识别和控制算法5与中央处理器6连接、中央处理器6与电子回旋共振加热控制系统7连接、电子回旋共振加热控制系统7与回旋管8和可控角度天线系统11连接，回旋管8与槽纹波导9、真空法兰10、可控角度天线系统11依次连接，可控角度天线系统11与磁约束高温等离子体1连接。
23.多通道电子回旋辐射计2主要用于测量温度扰动，在实施例中用于测量由温度扰动构成阿尔芬模径向模结构。具体方法为，在等离子体放电过程中，对多通道电子回旋辐射计2采集到的信号进行傅里叶变换，通过频谱分析找到阿尔芬模的频率范围，然后进行数值滤波，选取相同时刻、不同测量通道(不同位置)的温度扰动组合成一个径向分布。这个径向分布就是阿尔芬模的径向模结构，最大值处就是阿尔芬模所在的空间位置。
24.微波反射计3主要用于测量密度扰动，在实施例中用于测量由电子扰动构成阿尔芬模径向模结构(不同的阿尔芬模对温度和密度扰动的影响不同)。具体方法为，在等离子体放电过程中，对微波反射计3采集到的信号进行傅里叶变换，通过频谱分析找到阿尔芬模的频率范围，然后进行数值滤波，选取相同时刻、不同测量通道(不同位置)的密度扰动组合成一个径向分布。这个径向分布就是阿尔芬模的径向模结构，最大值处就是阿尔芬模所在的空间位置。
25.米尔诺夫探针4主要用于测量测扰动，在实施例中用于测量阿尔芬模的环向模数和极向模数，其中环向模数由环向米尔诺夫探针测量，极向米尔诺夫探针由极向米尔诺夫探针测量，具体测量方法如下：在等离子体放电过程中，对米尔诺夫探针4采集到的信号进行傅里叶变换，通过频谱分析找到阿尔芬模的频率范围，然后对所有探针信号进行数值滤波，选取第一个通道的波峰参考点，依次比较各个通道探针信号相邻波峰的相位，观察第一探针和最后一个探针的相位差。当相位差为2π是，模数就是1，当相位差为4π是，模数就是2，依此类推。
26.具体控制方法为：通过高时空分辨率电子回旋辐射计2、多通道反射计3和米尔诺夫探针4实时测量磁约束高温等离子体1中高能量粒子激发的阿尔芬模的模数、振幅和空间位置等信息，阿尔芬模智能识别和控制算法5根据高时空分辨率电子回旋辐射计2、多通道反射计3和米尔诺夫探针4的输入数据对模进行鉴定并给出能够有效抑制该模式所需电子回旋波功率、入射角度及沉积位置等，输出结果将反馈给中央处理器6，随后中央处理器6给电子回旋控制系统7发送指令，回旋管8收到电子回旋控制系统7的启动指令后投入工作，将大功率微波通过槽纹波导9、真空法兰10和可控角度天线系统11注入磁约束高温等离子体1的指定位置。ecrh控制系统7也可直接给可控角度天线系统11发送指令从而实现微波注入角度的变化。
27.图2是hl
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2a装置上ecrh有效缓解和抑制高能量粒子驱动鱼骨模的具体实施例(鱼
骨模属于阿尔芬模其中一种)。左列图保持ecrh注入功率1.0mhz不变，改变ecrh沉积位置；右列图保持ecrh沉积位置不变，改变ecrh注入功率。结果发现，当功率保持不变时，沉积位置在0.42(鱼骨模局域位置附近)时缓解效果最好；当沉积位置固定在0.42时，缓解效果随着ecrh功率增大而优化。实验结果表明当电子回旋共振加热的功率为1mw和沉积位置为0.42时，鱼骨模的控制效果达到最佳。在此，结合附图1对具体本方法进行进一步说明：当磁约束高温等离子体1中激发鱼骨模时，利用多通道电子回旋辐射计2、多通道微波反射计3、米尔诺夫探针4测量模频率、振幅和空间位置等基本信息，然后阿尔芬模智能识别和控制算法5根据高时空分辨率电子回旋辐射计2、多通道反射计3和米尔诺夫探针4的输入数据给出有效抑制鱼骨模所需电子回旋波功率1.0mhz和沉积位置0.42。中央处理器6收到阿尔芬模智能识别和控制算法5的输入数据后给电子回旋控制系统7发送指令，电子回旋管8接到电子回旋控制系统7的控制命令后，马上进入工作状态，即将1.0mhz的电子回旋波注入磁约束高温等离子体0.42的位置处，从而实现鱼骨模的有效控制。