一种双台阶静电探针探头的制作方法

本发明涉及静电探针，具体涉及一种双台阶静电探针探头。

背景技术：

1、清洁安全且资源丰富的核聚变能是目前人类认识到最终解决人类能源问题最重要的途径之一。在托卡马克磁约束核聚变研究中，湍流及其输运是不仅是制约高约束模放电以及输运垒的主要因素，对于高综合参数放电的影响是显而易见的。因此，托卡马克边缘区域的湍流及其输运的研究是近二十年的热点。在研究高约束模的形成机制中，发现边缘区域中，极向剪切流可以抑制湍流输运改善输运。湍流输运与极向流及其剪切紧密相关，这不仅对于小型托卡马克装置边缘基础研究非常重要，对于大型托卡马克装置边缘输运垒提高等离子体性能也非常重要。

2、目前对于边缘湍流及其输运和刮削层宽度的测量主要是采用朗缪尔静电探针，主要的测量方式包括单探针和双探针对以及马赫探针对等基本探针：

3、1.单探针测量悬浮电位：

4、探针悬浮于等离子体中，其对地电位为悬浮电位vf

5、2.双探针对：

6、两个静电探针放置于等离子体中，根据探针测量原理，在两探针之间加上恒定偏压，分别测量两探针的对地电压分别为v+和v_，即可得到等离子体离子饱和流is。

7、3.马赫探针对：

8、两个托卡马克环向的探针，加上足够大的负偏压使得探针电流饱和，分别测量只面向上游和下游的离子饱和流isi上游和isi下游，两者的比值可以用来计算环向马赫数，进而计算环向等离子旋转速度。

9、将悬浮电位探针和双探针结合成三探针，还可以测量等离子体密度和温度以及电位如下：电子温度：te＝(v+-vf)/ln2；密度等离子体电位vp＝vf+2.8te,其中s为探针有效测量面积,r为电路的采样电阻。利用悬浮电位探针和双探针的不同组合还可以测量不同的等离子体参数，例如径向电场(er)、极向电场(eθ)、径向速度扰动径向扰动粒子通量的径向剖面以及湍流极向结构参数。

10、目前主要是利用多台阶探针测量边缘湍流及其输运，在假定等离子体处于平衡状态下利用快速往返的探针系统来得到径向分布。双台阶四探针(两个径向台阶，每个台阶上布置四探针)是比较常用的静电探针探头。四探针可以测量上述诸多参数，双台阶四探针的主要作用是得到两个径向位置的等离子体参数，从而得到等离子体参数的径向梯度。但是双台阶四探针中径向位置较低的台阶由于遮挡效应，会出现平衡参数偏低的效果，这会进一步影响研究边缘等离子体参数的径向梯度。有研究表明不同径向台阶对于扰动参数的影响较小，对于湍流输运分析来说仍可以使用较低径向台阶的探针数据，因此双台阶四探针仍经常应用于等离子体边界。另外，由于较低径向位置的四探针测量平衡参数存在一定的遮挡，这也导致不能实时测量极向流的剪切率。虽然通过静电探针进动过程中的剖面得到极向流的剪切，但是在探针停留在等离子体边界的时候不能得到极向流剪切，此时难以研究湍流与极向流剪切之间的关系。并且，两个径向台阶上的双悬浮电位通过时间延迟计算得到的极向速度既有径向上位置的不同，同时还存在极向位置的差异，不能直接用于计算极向速度的径向剪切。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：传统的静电探针探头结构在探针停留在等离子体边界的时候不能得到极向流剪切，此时难以研究湍流与极向流剪切之间的关系，且获得的极向速度既有径向上位置的不同，同时还存在极向位置的差异，不能直接用于计算极向速度的径向剪切；本发明目的在于提供一种双台阶静电探针探头，在传统的静电探针探头结构上进行结构上的改进，通过在石墨护套表面设置多个凸起台阶，将探针按照需求对分布在石墨护套表面和凸起台阶，这样就在径向构成了两组阶梯式的探针阵列：分布在石墨护套表面的探针阵列(第二双探针对、第二悬浮电位探针对、马赫探针对)和分布在凸起台阶顶部的探针阵列(第一双探针对、第一悬浮电位探针对)，解决了双台阶静电探针较低径向台阶被遮挡导致平衡量偏小的问题，可以实时得到边缘等离子体电子密度和电子温度的径向梯度。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、本方案提供一种双台阶静电探针探头，其特征在于，包括：

4、石墨护套，所述石墨护套表面设置多个凸起台阶，所述凸起台阶设置有u型槽；

5、第一双探针对，分布在凸起台阶顶部，每个第一双探针对应一个凸起台阶；

6、第一悬浮电位探针对，分布在凸起台阶顶部，每个第一悬浮电位探针对应一个凸起台阶；

7、第二双探针对，分布在石墨护套表面；

8、第二悬浮电位探针对，分布在石墨护套表面；

9、马赫探针对，分布在石墨护套表面，且位于凸起台阶的u型槽内。

10、本方案工作原理：

11、以马赫探针对连线的方面作为环向，悬浮电位对连线的方向作为极向，垂直于石墨护套表面向下的方向作为径向；本方案提供一种双台阶静电探针探头，在传统的静电探针探头结构上进行结构上的改进，通过在石墨护套表面设置多个凸起台阶，将探针按照需求对分布在石墨护套表面和凸起台阶，这样就在径向构成了两组阶梯式的径向探针阵列：分布在石墨护套表面的第二径向位置探针阵列和分布在凸起台阶顶部的第一径向位置探针阵列，通过不同的径向位置探针阵列解决了双台阶静电探针较低径向台阶被遮挡导致平衡量偏小的问题，可以实时得到边缘等离子体电子密度和电子温度的径向梯度。

12、进一步优化方案为，所有探针具有相同的结构，所述探针包括：第一双探针、第一悬浮电位探针、第二双探针、第二悬浮电位探针和马赫探针；探针的顶端针头直径为1mm～2mm；凸起台阶的高度与探针的高度相同。

13、进一步优化方案为，所述凸起台阶包括第一凸起台阶对和第二凸起台阶对；

14、所述第一悬浮电位探针对分布在第一凸起台阶对的顶部，所述第一双探针对分布在第二凸起台阶对的顶部；第二凸起台阶对设置有u型槽；马赫探针对分布在第二凸起台阶的u型槽内；

15、第一悬浮电位探针对的两个第一悬浮电位探针基于点a中心对称分布，第一双探针对的两个第一双探针基于点b为中心对称分布。

16、进一步优化方案为，第二悬浮电位探针对的两个第二悬浮电位探针基于点a’中心对称分布，且第二悬浮电位探针对向石墨护套表面的垂直投影与第一悬浮电位探针对向石墨护套表面的垂直投影位于同一环向位置，且点a向石墨护套表面的垂直投影与点a’向石墨护套表面的垂直投影重合,即点a与点a’位于同一极向位置。

17、进一步优化方案为，马赫探针对的两个马赫探针基于点b’中心对称分布，且点b向石墨护套表面的垂直投影与点b’向石墨护套表面的垂直投影重合，即点b与点b’位于同一极向位置；第二凸起台阶u型槽内的马赫探针与第二凸起台阶u型槽上的第一双探针位于同一环向位置。

18、进一步优化方案为，第二双探针对的两个第二双探针基于点b中心对称并环向分布。

19、进一步优化方案为，所述第一双探针对和第一悬浮电位探针对均位于第一径向位置，第二凸起台阶对、第一凸起台阶对、以及第二双探针对均位于第二径向位置。

20、进一步优化方案为，所述第一凸起台阶为圆柱体状，第一凸起台阶的高与探针的高度相同，第一凸起台阶的底面直径大于探针的直径。

21、进一步优化方案为，第二凸起台阶的u型槽的开口方向朝向远离点b’的方向。

22、进一步优化方案为，第一悬浮电位探针对的两个第一悬浮电位探针之间的距离为：4-12毫米；

23、第一双探针对的两个第一双探针之间的间距为：4-12毫米；

24、第二双探针对的两个第二双探针之间的间距为：4-12毫米；

25、第二悬浮电位探针对的两个第二悬浮电位探针之间的间距为：4-10毫米；

26、马赫探针对的两个马赫探针之间的间距为：4-14毫米。

27、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

28、1.本发明提供的一种双台阶静电探针探头，在传统的静电探针探头结构上进行结构上的改进，通过在石墨护套表面设置多个凸起台阶，将探针按照需求对分布在石墨护套表面和凸起台阶，这样就在径向构成了两组阶梯式的径向探针阵列：分布在石墨护套表面的第二径向位置探针阵列和分布在凸起台阶顶部的第一径向位置探针阵列，通过不同的径向探针阵列解决了双台阶静电探针较低径向台阶被遮挡导致平衡量偏小的问题，可以实时得到边缘等离子体电子密度和电子温度的径向梯度。

29、2.本发明提供的一种双台阶静电探针探头，解决了双台阶静电探针较低径向台阶被遮挡导致平衡量偏小的问题，可以实时得到边缘等离子体电子密度和电子温度的径向梯度，根据两个不同径向位置但极向位置相同的极向速度，从而得到极向速度的剪切即极向流剪切率，这可以为研究湍流输运与极向流剪切之间的关系提供可靠的诊断数据。