[发明专利]一种应用于托卡马克的等离子体位形实时重建系统及方法

说明书

一种应用于托卡马克的等离子体位形实时重建系统及方法，包括等离子体诊断系统，等离子体诊断系统连接实时位形采集工控机，实时位形采集工控机上拥有对应的数据采集卡和一张反射内存卡，等离子体诊断系统的信号进入到实时位形采集工控机的数据采集卡上，统一时序系统提供统一的时序信号，同样接入到实时采集工控机上，实时采集工控机通过采集卡采集到的诊等离子体诊断信号的数值信息通过其上的反射内存卡，并发送到反射内存交换机，反射内存交换机将这些诊断信号的数值同步到实时位形重建高级工作站上的反射内存卡中，将计算得到的等离子体位形信息再次通过连接在其上的反射内存卡发送回反射内存交换机，位形控制器通过这些信息进行计算。

技术领域

本发明属于实时重建系统领域，具体涉及一种应用于托卡马克的等离子体位形实时重建系统及方法。

背景技术

在受控核聚变实验研究中，用于约束等离子体的磁约束装置主要是托卡马克(或仿星器)装置。由于等离子体的飘移，单纯依赖纵场是不可能实现带电粒子的约束的；因此必须引入一个极向磁场，使总场形成一种螺旋状的结构。这样粒子在等离子中的漂移方向将随着时间的变化而变化，从而总的漂移相互抵消，达到粒子被磁场较好地约束的目的。

因此，托卡马克这种特定的聚变磁约束装置对的等离子体的实时控制提出了比较高的要求，即要实时控制将等离子体约束在真空室内部，使之整个放电过程中不与真空室相接触，同时需要让等离子体保持一定的形状，具备一定的拉长比和三角形形变，以获得更高的等离子体物理参数，因此对于等离子体实时控制而言，必须首先能够实时得到等离子体的位置和形状(以下简称位形)。

但是目前并没有直接测量等离子体形状的诊断手段，即等离子体的形状并不能直接通过测量得到，需要利用其它的诊断数据进行位形重建。在离线情况下，重建的方式可以通过Grad-Shafranove方程，通过计算得到等离子体的磁通剖面分布，从而确定等离子体的最外层磁面，等离子体最外层磁面即为等离子体的形状，确定了等离子体形状，其位置可以直接推导出来，Grad-Shafranov方程本质上是一个泊松方程，只有数值解，因此需要经过大量的迭代才能够得到，每次计算完一个时间片需要耗时大概几百毫秒到1秒的时间，而等离子体实时控制的控制周期是1ms到几毫秒的量级，并且每次计算只能计算一个时间片，无法连续计算。

要想将这个离线计算的方式用于实时控制，就必须搭建起一个实时的等离子体位形重建系统，包括实时操作系统、实时数据采集、实时数据传输和实时位形计算，在整个等离子体放电实验过程中连续稳定地计算，并且每次计算的耗时限制在一个控制周期的几个毫秒量级范围内。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种应用于托卡马克的等离子体位形实时重建系统及方法，能够在实时状态下，利用快速解Grad-Shafranov方程重建位形，根据划分的网格大小不同，在1ms之内到几个毫秒的时间范围内得到当前时刻的等离子体的位置和形状，并且连续地计算，将结果不断地传给位形控制器进行反馈控制，直到放电实验结束。

本发明的技术方案如下：一种应用于托卡马克的等离子体位形实时重建系统，包括等离子体诊断系统，等离子体诊断系统连接实时位形采集工控机，实时位形采集工控机上拥有对应的数据采集卡和反射内存卡A，等离子体诊断系统的信号进入到实时位形采集工控机的数据采集卡上，统一时序系统提供统一的时序信号，同样接入到实时采集工控机上，实时采集工控机通过数据采集卡采集到的诊等离子体诊断信号的数值信息通过其上的反射内存卡A，并发送到反射内存交换机，反射内存交换机将这些诊断信号的数值同步到实时位形重建工作站上的反射内存卡中B，实时位形重建工作站的经过实时计算后，将计算得到的等离子体位形信息再次通过连接在其上的反射内存卡B发送回反射内存交换机，反射内存交换机将这些位形信息同步到位形控制器上的反射内存卡C中，位形控制器通过这些信息进行计算。

所述等离子体诊断系统用于获取等离子体的电磁信息。

一种应用于托卡马克的等离子体位形实时的重建方法，包括以下步骤：