托卡马克电磁诊断中高精度长时间积分器的研究

电磁诊断是托卡马克装置中重要也是最基本的诊断之一，用于装置运行、安全保护、等离子体控制和最基本的物理分析。通常采用磁感应原理来测量装置内部的磁场和磁通，需要使用积分器对磁感应线圈的输出信号进行积分。积分器作为电磁诊断的关键技术之一，在长时间工作时，存在着以下问题：零点漂移、非线性误差、电容泄漏误差和电磁兼容问题。已有的EAST积分器系统可以满足百秒等离子体放电的要求，但还不能满足更长时间等离子体放电的要求，迫切需要研发新一代高精度长时间积分器。本项目提出了在原有实时补偿型积分器的基础上采用交替积分的方式，拟解决积分器长时间工作中的一些普遍问题。期望积分器够满足等离子体长时间放电的精度要求，达到以下指标：1000s工作时间内，积分误差小于10mV；无电容泄漏误差；无明显非线性误差。本项目的成功实施还将对以稳态等离子体为目标的其它超导托卡马克，如ITER具有重要的借鉴作用。

积分器作为电磁诊断的关键电子设备，在长时间工作时，存在着以下问题：零点漂移、非线性误差、电容泄漏误差和电磁兼容问题，其中零点漂移是影响积分器精度的最大因素。 .通过对EAST中实时补偿型积分器系统的分析，可见对于较之100秒更长时间的等离子体放电，现有积分器还存在以下问题。1）随着积分时间的增加，电容的泄漏成为误差的主要来源，而在已有系统工作过程中，没有办法对积分电容进行泄放；2）积分器的非线性误差随着积分器工作时间的增加而严重；3）虽然最终输出信号是扣除了积分误差的积分信号，但是积分器的工作过程中，每路积分器都是在工作，长时间工作会引起运放的饱和。.为了使积分器满足EAST装置长脉冲（千秒量级）放电的要求，在实时积分误差补偿型积分器的基础上，设计了交替式积分器系统。在该系统中，两路实时积分误差补偿型积分器交替工作。实时积分误差补偿型积分器在新系统作为一个积分单元，两路积分单元交替工作。当一路积分单元实现积分功能的时候，另一路积分单元就可以完成积分电容泄放。系统分为5个部分，分别为现场可编程门阵列（FPGA）、实时积分误差补偿型积分单元、电子开关、ADC和DAC。由FPGA控制电子开关切换来实现两路积分单元交替工作；ADC将积分单元的积分结果转换为数字信号；FPGA完成对ADC输出信号的获取和拼接，完成一个对微分信号的连续积分；再由DAC转换为模拟信号并输出。.通过交替式积分器的设计，可以得到下面两个结论：1.实验数据表明，积分时间常数为20mS的积分器，在1000s的工作时间内，积分误差小于15mV；2.电容泄放误差、非线性误差以及运放饱和的问题就得到了解决。