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1. 研究目的与意义（文献综述）
1．目的及意义（含国内外的研究现状分析）
能源是人类生存和发展的物质基础，随着传统不可再生能源的逐渐枯竭，人们把目光投向了新能源的开发和利用，其中受控核聚变被认为是能够最终解决人类能源问题的有希望的途径之一[1]。受控核聚变有以认为是取之不尽的[2]；其次是清洁安全，它对空气无任何污染，与裂变能相比，聚变反应引起的放射性污染要轻的多，且不会产生大规模不可控能量释放的超临界事故（如三里岛、切尔诺贝利和福岛事件）。
自上个世纪以来，全世界对可控核聚变领域的研究一直在持续，最终摸索出两条可行性最高的实现途径，分别为磁约束和惯性约束聚变。当前主流的磁约束装置有两种，分别为托卡马克（Tokamak）和仿星器（Stellarator），两者均为环形装置。相对于仿星器而言，托卡马克具有磁场位形简单，建造费用低的优点。自1950年首台托卡马克装置在前苏联被发明以来，经过几十年的发展，托卡马克已经成为目前技术最成熟、最有希望实现受控核聚变的磁约束装置。
图1 Tokamak装置结构（原理）示意图[引自https://www.euro.fusion.org/]
根据劳逊判据，实现热核聚变自持反应需要等离子体的密度、温度、和能量约束时间三者乘积高于某一临界值[3]，而这三个量均与等离子体的约束状态密切相关。研究表明，增强约束磁场的强度有利于改善等离子体约束。但是，出于技术上的限制和经济方面的考虑，托卡马克内部磁场强度不可能无限制增加。因此，如何在受限制的磁场强度下，获得尽可能更好的约束效果，成为托卡马克研究的一个重点课题，也是实现可控核聚变商业化道路的主要难题。
托卡马克作为磁约束装置，其研究的最终目标是获得稳定且可自持燃烧的等离子体。理想情况下，带电粒子将被很好的约束在环形磁场中；但实际情况却经历着十分复杂的运动和变化过程。例如在异常高温、高压（或真空）和强而复杂的电磁场中，产生各种复杂的磁流体运动过程，并产生各种形式的辐射，而且高温等离子体内部的各种成分之间，经历着十分复杂的粒子和能量输运过程，以及各种相互作用的过程。因此想要真实的了解等离子内部的状态以及各种运输过程是十分困难的。
高温等离子体诊断的目的，就是设法利用各种手段去获得等离子体的运动状态及各种关键参数，包括离子和电子的温度和密度、电流和电磁场的空间和时间分布等等，以及各种运输、波动、不稳定性等的运动状态等等。通过对这些诊断数据的分析，对实验装置进行必要的改进，以接近最理想的约束状态，从而推动可控热核聚变进一步发展。
表1等离子体各种参数的诊断路径[4]
| 测量参数 | 测量手段 |
| 电子温度Te | 激光汤姆逊散射、X射线谱、回旋辐射谱、粒子探针、电导测量、静电探针、光谱测量 |
| 离子温度Ti | 中性粒子能谱、激光集体散射、中子产额、线光谱多普勒展宽、等离子体逆磁效应 |
| 电子密度Ne、重离子密度（离子密度Ni、中性粒子密度N0、有效电荷Zeff） | 微波或激光干涉、激光散射、中性粒子（离子）探针、静电探针、光谱测量（包括真空紫外和软X射线谱）、质谱测量、激光共振散射 |
| 等离子电流密度Jp（等离子磁场Bp）分布 | 微波或激光法拉第旋转效应、赛曼效应（配合粒子探针）、激光散射谱的磁调制、波偏振方向的变化、重离子或中性粒子探针 |
| 电位分布Φ（电场E） | 重离子探针、静电探针 |
| 等离子体位置、漂移和不稳定性 | 对称磁探针、相关磁探针、高速照相、微波反射和散射、激光集体散射、离子探针、相关X射线测量、电流电压波形、电子回旋辐射 |
| 壁效应及能量和粒子损失 | 辐射计、粒子的质谱和能谱测量、激光共振散射、各种表面分析法（俄歇电子能谱、特征X荧光、电子探针、离子探针、电子显微镜、核反应方法等） |
探针诊断因具有测量方式简单、空间分辨率高、结果可靠且成本较低的优势，被广泛用于等离子体诊断。实体探针可分为静电探针和磁探针，分别承担不同的诊断任务。静电探针在托卡马克边缘等离子体试验研究中得到广泛应用，是研究边缘等离子体基本特性、静电涨落和反常输运的重要工具；磁探针除了可以用来研究磁涨落引起的粒子输运，也应用于破裂前磁扰动行为的探测、阿尔芬本征模的探测、等离子体对扰动场的响应等方面[5]。
当前探针诊断系统发展大致可分为两部分，第一是对探针结构的创新设计，包括材料及内部结构等方面的优化，在减少探针对等离子输运的扰动、提高诊断范围和精确度、获得更丰富测量信息、延长使用寿命等方面取得了较大进展；第二是诊断控制系统的改进，提高了系统自动化及信息处理能力，进而更及时的获得最真实的物理量参数。
但在实际诊断过程中，磁探针与静电探针往往在时间和空间上分开使用，无法对同一时空点进行测量，而且反复的安装过程为实验带来极大的不便，过多的探针也会对等离子体输运过程本身造成干扰。与此同时，越来越多的研究表明：静电涨落和磁涨落存在复杂的耦合关系[6-11]，这种耦合对磁约束等离子体的物理特性是否存在影响，值得进一步研究。因此对于同时能够测量静电和磁信号涨落的诊断装置亟待发展。
2. 研究的基本内容与方案
2.1 设计的基本内容与目标
本课题的主要内容是基于j-text托卡马克装置，设计制作一个可以同时测量磁涨落和静电涨落的复合式探针，并完成相关调试和优化，从电、磁两方面同时为等离子体边界的湍流输运研究提供准确可靠的数据支持。
具体研究目标如下：
3. 研究计划与安排
1-3周，完成开题报告，并完成相关英文文献翻译；
4-6周，完成探针设计和必要的理论计算；学习使用comsol软件ac/dc物理场的使用方法，完成探针的建模仿真分析。
7-8周，完善探针设计并交付工厂加工； 完成探针理论及信号分析方法的学习，进实验室熟悉环境，掌握相关专业软件的使用方法；
4. 参考文献（12篇以上）
[1] 丁厚昌，黄锦华，盛光昭. 聚变能——21世纪的新能源. 北京：原子能出版社，1998. 1-12
[2] 王龙. 环形等离子体实验讲义. 2013.
[3] lawson, j. d. some criteria for apower producing thermonuclear reactor. proceedings of the physical society.section b, 1957, 70: 6-10
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