一种等离子体信号采集装置及采集方法与流程

1.本技术涉及可控核聚变研究技术领域。具体涉及一种等离子体信号采集装置及采集方法。


背景技术：

2.在可控核聚变研究中，对等离子体参数的把握和物理过程的分析十分重要，通过外部的征兆来推断出这些信息，称为等离子体诊断。探针是可控核聚变研究装置中最为常用的等离子体诊断手段之一，因其小巧灵活、灵敏度高、可诊断的参数多等特点而被广泛使用。
3.现有的探针在对等离子体进行诊断时，探针的头部需要置于等离子体中，通过连接杆包裹的信号线将探针的信号从真空室内引出，接入后续的数据采集器中。
4.而现有的这种探针结构，由于连接杆的插入会对等离子体造成不可忽视的影响。因此，目前只能诊断固定位置的等离子体参数，且不能进入等离子体内部，而是通常在外围诊断。


技术实现要素：

5.由于现有方法存在上述问题，本技术实施例提供一种等离子体信号采集装置及采集方法。
6.具体的，本技术实施例提供了以下技术方案：
7.第一方面，本技术实施例提供一种离子体信号采集装置，包括：信号采集球和弹射器；
8.其中，所述信号采集球用于在等离子体放电时悬浮于所述等离子体中采集信号；
9.所述弹射器用于在所述等离子体放电前，将所述信号采集球竖直向上弹射，以使在所述等离子体放电时，所述信号采集球恰好上升至最高点位置，从而悬浮于所述等离子体中采集信号，以及，在所述等离子体放电结束后回收从最高点位置自由落体的所述信号采集球，并获取所述信号采集球在最高点位置采集的等离子体信号。
10.可选的，所述信号采集球的外壳为一个不锈钢空心圆柱体，其内部包括：磁探针线圈和近距离无线通讯nfc天线；
11.其中，所述磁探针线圈用于采集所述等离子体信号；所述nfc天线用于将所述等离子体信号以无线传输的方式发送至所述弹射器。
12.可选的，所述弹射器的顶部为一个喇叭口套管，用于接收自由落体的信号采集球，并使所述信号采集球准直的落回与所述喇叭口套管连接的准直管底部；所述弹射器的底部为一个推进组件；所述推进组件由一个推进杆和一个加速环构成，所述加速环与所述推进杆的底部连接，通过所述推进组件周围环绕的线圈放电产生的磁场，使所述加速环带动所述推进杆向上加速运动；
13.其中，所述喇叭口套管的上端为一个开口圆锥面，中端为光滑的多段圆弧，下端为
一段套在所述准直管外的直管；
14.其中，所述推进杆的顶部在所述加速环尚未加速运动时，位于所述准直管中，且所述推进杆的顶部连接一个推进盘，所述推进盘用于承接所述信号采集球，所述推进盘的直径小于所述准直管的直径，大于所述信号采集球的直径。
15.可选的，所述加速环的外壳为一个碳钢圆柱体，中间部分设有一个用于连接所述推进杆的第一通孔，所述第一通孔外侧均匀设有四个第二通孔，用于在四根固定的导轨上准直滑动；所述加速环内除设有的第一通孔和第二通孔外其余部分镂空，并在所述镂空部分的外圈开设至少两根槽，用于阻断所述推进组件周围环绕的线圈放电产生的环向涡流。
16.可选的，所述弹射器的中间部分还包括一个真空室，所述真空室顶端位于所述喇叭口套管中端位置，底端位于所述准直管底部位置，所述喇叭口套管中端与所述准直管均处于所述真空室内部。
17.可选的，所述真空室包括：波纹管、三通法兰和石英玻璃管；
18.其中，所述波纹管的上端与所述真空室的顶部窗口连接，且所述真空室的顶部窗口位置焊接一真空法兰，所述波纹管的下端连接一个三通法兰，且所述三通法兰连接位置焊接一真空法兰；所述三通法兰的底部法兰固定于所述准直管末端所处的顶盖上，中部法兰接真空电极用于引出所述信号采集球采集的等离子体信号；所述石英玻璃管的顶端与所述准直管末端所处的顶盖连接，底端与所述加速环末端所处的底盘连接，且所述准直管和所述加速环均处于所述石英玻璃管内部。
19.可选的，所述信号采集球外壳的直径为20～30mm，内径为12～24mm，高度为30～50mm。
20.可选的，所述弹射器的直径为150～210mm，高度为300～477mm。
21.第二方面，本技术实施例提供一种等离子体信号采集方法，包括：
22.在等离子体放电前，通过弹射器将信号采集球竖直向上弹射，以使在所述等离子体放电时，所述信号采集球恰好上升至最高点位置，从而悬浮于所述等离子体中采集信号；
23.在所述等离子体放电结束后，通过弹射器回收从最高点位置自由落体的所述信号采集球，并获取所述信号采集球在最高点位置采集的等离子体信号。
24.可选的，通过计算弹射时间，将所述信号采集球在所述等离子体放电前便从所述弹射器底部提前发射，以使所述信号采集球在所述等离子体放电时恰好上升至最高点位置；其中，所述最高点位置为所述等离子体中某一空间位置。
25.由上面技术方案可知，本技术实施例提供的等离子体信号采集装置，在等离子体放电前，通过弹射器将信号采集球竖直向上弹射，以使在等离子体放电时，信号采集球恰好上升至最高点位置，从而悬浮于等离子体中采集信号，以及，在等离子体放电结束后，通过弹射器回收从最高点位置自由落体的信号采集球，并获取信号采集球在最高点位置采集的等离子体信号。由此可知，本技术实施例通过弹射器弹射的方式，使得信号采集球从设计上规避了传统探针支持杆件对于等离子体的影响，并且为探针深入等离子体内部的探测提供了可能。不仅如此，本技术实施例提供的信号采集球作为一个平台，未来还可搭载其它诊断工具，可以用于如静电探针、光学诊断等多种等离子体诊断手段。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
27.图1是本技术实施例提供的等离子体信号采集装置的结构示意图；
28.图2是本技术实施例提供的信号采集球的结构示意图；
29.图3是本技术实施例提供的弹射器的结构示意图；
30.图4是本技术实施例提供的加速环的结构示意图；
31.图5是本技术实施例提供的等离子体信号采集方法的步骤流程图；
32.图6是本技术实施例提供的信号采集球及弹射器的运行方式示意图；
33.图7是本技术实施例提供的信号采集球的工作流程图；
34.图8是本技术实施例提供的现有探针及其连接杆的插入对等离子体参数影响的示意图。
具体实施方式
35.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
36.需要说明的是，传统探针存在的一个主要问题是当探针插入等离子体中时，会对等离子体的结构和参数造成一定的影响。此外，由于等离子体的温度极高，所以需要对信号线进行隔热处理，还会进行屏蔽处理来防止干扰。连接杆若要实现上述功能，还要保证足够的强度，通常会有一定的几何尺寸，因此探针的插入，尤其是连接杆的插入，会对等离子体造成不可忽视的影响。如图8所示，探针及其连接杆的插入对探针附近等离子体的电子温度、电子密度、电势都会带来影响，从而对探针的诊断带来至多10％的误差，还会在一定程度上破坏磁面的结构。
37.尽管研究者们都清楚探针的连接杆对于等离子体会造成影响，但在这个问题上的研究和改进的尝试并不多，因为连接杆不仅承担了支持机械结构的稳定作用，还要完成信号引出和绝热屏蔽的功能，要更改连接杆的设计十分困难。由于有连接杆的缘故，传统的探针目前只能诊断固定位置的等离子体参数，且不能进入等离子体内部，而是通常在外围诊断。如果不使用探针，可以采用诸多的非接触式诊断手段，例如想要代替磁探针来诊断磁场信息，可以使用干涉仪等光学诊断方式，但涉及到复杂的光路调整和相位分析，也可以使用中性粒子束注入诊断磁场，但一套诊断系统的造价十分高昂。相比之下，探针的优势在于简易可靠成本低，如果能克服传统探针连接杆的局限，将能够大大增加探针的应用能力。为解决该问题，本技术实施例提供了一种等离子体信号采集装置，在等离子体放电前，通过弹射器将信号采集球竖直向上弹射，以使在等离子体放电时，信号采集球恰好上升至最高点位置，从而悬浮于等离子体中采集信号，以及，在等离子体放电结束后，通过弹射器回收从最高点位置自由落体的信号采集球，并获取信号采集球在最高点位置采集的等离子体信号。
由此可知，本技术实施例通过弹射器弹射的方式，使得信号采集球从设计上规避了传统探针支持杆件对于等离子体的影响，并且为探针深入等离子体内部的探测提供了可能。不仅如此，本技术实施例提供的信号采集球作为一个平台，未来还可搭载其它诊断工具，可以用于如静电探针、光学诊断等多种等离子体诊断手段。
38.下面对本技术进行具体说明：
39.图1示出了本技术实施例提供的等离子体信号采集装置的结构示意图，图2是本技术实施例提供的信号采集球的结构示意图，图3是本技术实施例提供的弹射器的结构示意图，图4是本技术实施例提供的加速环的结构示意图。下面结合图1至图4对本技术实施例提供的等离子体信号采集装置进行详细解释和说明。
40.如图1至图4所示，本技术实施例提供的等离子体信号采集装置包括：信号采集球和弹射器；
41.其中，所述信号采集球用于在等离子体放电时悬浮于所述等离子体中采集信号；
42.所述弹射器用于在所述等离子体放电前，将所述信号采集球竖直向上弹射，以使在所述等离子体放电时，所述信号采集球恰好上升至最高点位置，从而悬浮于所述等离子体中采集信号，以及，在所述等离子体放电结束后回收从最高点位置自由落体的所述信号采集球，并获取所述信号采集球在最高点位置采集的等离子体信号。
43.在本实施例中，需要说明的是，信号采集球不同于传统探针，没有连接杆的支撑和固定，所以需要外部的装置将其发射出去，在放电结束后回收回来。因此，本技术实施例提供了一种弹射器，如图3所示，弹射器用于将信号采集球在等离子体放电开始前从真空室底部竖直向上弹射出去，当等离子体放电结束后使之自由落体回到弹射器中，并回到下一次弹射的准备位置。可选的，在控制系统接入等离子体放电程序时，外部信号可以通过无线方式唤醒信号采集球内部系统，同时外部的时钟与信号采集球内部的时钟进行一次对时。通过计算好弹射时间，使得信号采集球在放电开始前便从弹射器底部提前发射，在放电开始时处于其运动轨迹的最高位置，因为放电的时间持续十分短暂，通常为数十毫秒，而信号采集球恰好处于最高点附近，运动速度接近于零，在放电时间内位移甚小。因此，可将位于最高点附近的信号采集球视为准静态，此时信号采集球测量得到的是等离子体空间中一点的数据。此外，通过调整弹射时间与等离子体放电开始的时间差，可以使信号采集球采集到等离子体不同空间位置处的数据，在放电重复性好的情况下，甚至可以得到一个等离子体参数的空间分布。
44.由上面技术方案可知，本技术实施例提供的等离子体信号采集装置，在等离子体放电前，通过弹射器将信号采集球竖直向上弹射，以使在等离子体放电时，信号采集球恰好上升至最高点位置，从而悬浮于等离子体中采集信号，以及，在等离子体放电结束后，通过弹射器回收从最高点位置自由落体的信号采集球，并获取信号采集球在最高点位置采集的等离子体信号。由此可知，本技术实施例通过弹射器弹射的方式，使得信号采集球从设计上规避了传统探针支持杆件对于等离子体的影响，并且为探针深入等离子体内部的探测提供了可能。不仅如此，本技术实施例提供的信号采集球作为一个平台，未来还可搭载其它诊断工具，可以用于如静电探针、光学诊断等多种等离子体诊断手段。
45.基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述信号采集球的外壳为一个不锈钢空心圆柱体，其内部包括：磁探针线圈和近距离无线通讯nfc天线；
46.其中，所述磁探针线圈用于采集所述等离子体信号；所述nfc天线用于将所述等离子体信号以无线传输的方式发送至所述弹射器。
47.在本实施例中，需要说明的是，如图2所示，信号采集球由外壳、骨架、电池、信号处理电路和磁探针线圈构成。其中，外壳为一个外径20～30mm，内径12～24mm，高度30～50mm的不锈钢空心圆柱体，其内部的磁探针线圈在测量信号时，要求磁探针线圈的空间角度不能变化，线圈的有效面积才不会改变，测量的精度才能提高。因此信号采集球的外壳设计为一个圆柱体，而不是一个球体，圆柱体外壳能够通过配合弹射器的准直设计，使得磁探针线圈的轴线在每次等离子体放电时尽可能处于竖直，而球形外壳则每次放电时无法控制探针的角度。圆柱体外壳一端开口，通过外壳盖子上的螺纹压紧玻璃盖，玻璃盖压紧橡胶圈，从而与保证内部与外部的真空隔离。外壳盖上沿圆柱轴向开若干条槽，以排除螺纹间隙中的空气，防止信号采集球在进入真空室后对真空环境造成污染。
48.在本实施例中，信号采集球的内部由磁探针线圈、放大器、模数转换器adc(analog to digital converter)、单片机、近距离无线通讯nfc(near field communication)及其天线、安全数码sd卡(secure digital memory card)和电源组成。在等离子体放电时，磁探针的探头线圈采集到的信号以电压信号的形式呈现，经过放大器放大后通过一个16bit的adc转换为数字信号，并储存到sd卡中，adc的采样率能够达到500khz。在放电结束后，数据通过nfc无线传输的方式传给弹射器，可选的，数据采集和通讯等过程均在一款stm32单片机的控制下进行。在空闲时间，整个系统进入低功耗模式，并通过nfc对电源进行无线充电。
49.基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述弹射器的顶部为一个喇叭口套管4，用于接收自由落体的信号采集球，并使所述信号采集球准直的落回与所述喇叭口套管连接的准直管5底部；所述弹射器的底部为一个推进组件；所述推进组件由一个推进杆7和一个加速环8构成，所述加速环8与所述推进杆7的底部连接，通过所述推进组件周围环绕的线圈放电产生的磁场，使所述加速环8带动所述推进杆7向上加速运动；
50.其中，所述喇叭口套管4的上端为一个开口圆锥面，中端为光滑的多段圆弧，下端为一段套在所述准直管外的直管；
51.其中，所述推进杆7的顶部在所述加速环8尚未加速运动时，位于所述准直管5中，且所述推进杆7的顶部连接一个推进盘6，所述推进盘6用于承接所述信号采集球，所述推进盘6的直径小于所述准直管5的直径，大于所述信号采集球的直径。
52.在本实施例中，如图3所示，发射和回收信号采集球的功能是由弹射器完成的，弹射器直径150～210mm，总高度300～477mm11，01主要由准直组件、推进组件、支持组件、真空密封组件等部分构成。弹射器的驱动部分是基于线圈炮设计的，即通过绕线盘及加速线圈9放电产生的磁场加速一个铁磁材料制作的加速环8，由加速环8连接一个推进杆7，将信号采集球推出。因为铁磁性的外壳会屏蔽信号，而且会破坏磁面结构，所以信号采集球不能制作为铁磁性的外壳，不能直接作为线圈炮的发射体弹射出去，因此采用了这种间接推动的方式。
53.在本实施例中，需要说明的是，接收信号采集球的部分是一个喇叭口套管4，接收口的设计一方面要确保能够接收到信号采集球，并且信号采集球不能通过反弹而弹出喇叭口，落入真空室中，另一方面还要确保信号采集球正确地回到准直管5的底部，不能卡住。为了成功接收信号采集球，喇叭口上端设计为一个开口直径90～150mm的圆锥面，圆锥面母线
与竖直方向的夹角可以为30
°
，使得信号采集球能够持续向下反弹，而不是向上弹出喇叭口。为了防止卡住，喇叭口的中段设计为光滑的多段圆弧过渡到下段的直管，同时准直管5口开斜面以配合过渡，使信号采集球能顺利地回到准直管5中。喇叭口下段是一段套在准直管5外的直管，通过垫圈压在一个缓冲弹簧上，目的是减轻回弹和保护探针外壳。
54.基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述加速环8的外壳为一个碳钢圆柱体，中间部分设有一个用于连接所述推进杆的第一通孔，所述第一通孔外侧均匀设有四个第二通孔，用于在四根固定的导轨上准直滑动；所述加速环内除设有的第一通孔和第二通孔外其余部分镂空，并在所述镂空部分的外圈开设至少两根槽，用于阻断所述推进组件周围环绕的线圈放电产生的环向涡流。
55.在本实施例中，如图4所示，加速环8为一个长30～50mm的碳钢圆柱体，在第一通孔外侧均匀设有四个第二通孔，以尽量减小加速环8的质量，从而减小整个推进组件的质量，来获得更高的弹射效率。加速环8镂空部分的外圈开设至少两根槽目的是阻断因线圈放电产生的环向涡流，防止干扰。为了竖直地发射信号采集球，首先应当保证推进的准直性，为此设计了4根导轨使得推进组件只能在竖直方向上下运动。推进盘6和信号采集球限制在一个准直管5中活动，信号采集球在准直管5中从底部向上加速，沿准直管5向上射出。
56.基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述弹射器的中间部分还包括一个真空室，所述真空室顶端位于所述喇叭口套管4中端位置，底端位于所述准直管5底部位置，所述喇叭口套管4中端与所述准直管5均处于所述真空室内部。
57.基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述真空室包括：波纹管1、三通法兰2和石英玻璃管3；
58.其中，所述波纹管1的上端与所述真空室的顶部窗口连接，且所述真空室的顶部窗口位置焊接一真空法兰4，所述波纹管1的下端连接一个三通法兰2，且所述三通法兰2连接位置焊接一真空法兰4；所述三通法兰2的底部法兰固定于所述准直管5末端所处的顶盖上，中部法兰接真空电极用于引出所述信号采集球采集的等离子体信号；所述石英玻璃管3的顶端与所述准直管5末端所处的顶盖连接，底端与所述加速环8末端所处的底盘连接，且所述准直管5和所述加速环8均处于所述石英玻璃管3内部。
59.在本实施例中，弹射器内部包括一个真空室。真空密封组件包括波纹管1、三通法兰2、石英玻璃管3等，从上端开始首先是一段两端焊接了cf100真空法兰4的波纹管1，波纹管1上端与真空室的窗口连接，下端连接三通法兰2。通过波纹管1这种软连接的方式能够避免弹射时的振动影响到真空室，使弹射器和真空室互不影响，同时也方便安装，以确保弹射管的竖直。三通法兰2由一个cf16法兰和两个cf100真空法兰4组成，cf16法兰接真空电极用于引线，将nfc的接收到的数据引出。nfc接收线圈固定在顶盖b上，准直管5底端开了六道槽，以阻断涡流，使得信号采集球内的nfc射频信号能够穿透准直管5，与接收端的nfc通讯。石英玻璃管3夹在底盘a和顶盖b中间，通过不锈钢盖压紧橡胶圈的设计来完成真空密封，内部是加速环8和导轨。
60.在本实施例中，可选的，通过绕线盘及加速线圈9控制加速环8的运动，加速线圈靠近底盘a，安装在加速环8初始位置的上方，对加速环8向上加速，延迟一段时间，使得加速环8到达减速线圈的上方后，减速线圈放电，对加速环向下减速。两个线圈分别由两路电源供电，每路电源由5mf的铝电解电容组、可控硅和用于续流的二极管组成，通过直流电源对电
容充电，可控硅用作开关来控制电容向线圈放电，脉冲放电结束后可将推进组件加速至4.2m/s的速度。放电的主要参数如下表1：
61.表1
[0062][0063]
基于相同的发明构思，本发明另一实施例还提供了一种等离子体信号采集方法，图5是本技术实施例提供的等离子体信号采集方法的步骤流程图，图6是本技术实施例提供的信号采集球及弹射器的运行方式示意图，图7是本技术实施例提供的信号采集球的工作流程图。下面结合图5
‑
图7对本技术提供的等离子体信号采集方法进行详细解释和说明，如图5所示，本技术实施例提供的等离子体信号采集方法，包括：
[0064]
步骤101：在等离子体放电前，通过弹射器将信号采集球竖直向上弹射，以使在所述等离子体放电时，所述信号采集球恰好上升至最高点位置，从而悬浮于所述等离子体中采集信号；
[0065]
步骤102：在所述等离子体放电结束后，通过弹射器回收从最高点位置自由落体的所述信号采集球，并获取所述信号采集球在最高点位置采集的等离子体信号。
[0066]
由上面技术方案可知，本技术实施例提供的等离子体信号采集方法，在等离子体放电前，通过弹射器将信号采集球竖直向上弹射，以使在等离子体放电时，信号采集球恰好上升至最高点位置，从而悬浮于等离子体中采集信号，以及，在等离子体放电结束后，通过弹射器回收从最高点位置自由落体的信号采集球，并获取信号采集球在最高点位置采集的等离子体信号。由此可知，本技术实施例通过弹射器弹射的方式，使得信号采集球从设计上规避了传统探针支持杆件对于等离子体的影响，并且为探针深入等离子体内部的探测提供了可能。不仅如此，本技术实施例提供的信号采集球作为一个平台，未来还可搭载其它诊断工具，可以用于如静电探针、光学诊断等多种等离子体诊断手段。
[0067]
基于上述实施例的内容，在本实施例中，通过计算弹射时间，将所述信号采集球在所述等离子体放电前便从所述弹射器底部提前发射，以使所述信号采集球在所述等离子体放电时恰好上升至最高点位置；其中，所述最高点位置为所述等离子体中某一空间位置。
[0068]
在本实施例中，如图7所示，在控制系统接入等离子体放电程序时，外部信号可以通过无线方式唤醒信号采集球内部系统，同时外部的时钟与信号采集球内部的时钟进行一次对时。通过计算好弹射时间，使得信号采集球在放电开始前便从弹射器底部提前发射，在放电开始时处于其运动轨迹的最高位置，因为放电的时间持续十分短暂，通常为数十毫秒，而信号采集球恰好处于最高点附近，运动速度接近于零，在放电时间内位移甚小。因此，可将位于最高点附近的信号采集球视为准静态，此时信号采集球测量得到的是等离子体空间中一点的数据。此外，通过调整弹射时间与等离子体放电开始的时间差，可以使信号采集球采集到等离子体不同空间位置处的数据，在放电重复性好的情况下，甚至可以得到一个等离子体参数的空间分布。
[0069]
此外，需要说明的是，由于本实施例提供的等离子体信号采集方法是通过上述实施例中的等离子体信号采集装置实现的，因此，关于一些原理和结构等方面的详细内容，可以参见上述实施例的介绍，本实施例对此不再赘述。
[0070]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。