EAST超导托卡马克装置等离子体电流光纤电流传感器的研制

Plasma current is one of basic parameters in tokamak operation. At present, the Rogowski coil is used to measure plasma current on EAST tokamak. The signal obtained from Rogowski coil is sent into integrator, then the output from the integrator is the plasma current. For steady-state or DC plasma current, there is no induced voltage from the Rogowski coil. The drift of integrator will be increased when work for long tiome. So the method cannot be used to measure steady-state or long pulse current. The fibre optic current sensor system will use optical fibres placed around the vacuum vessel to measure the plasma current by means of the Faraday Effect. Compare Rogowski coil, the most advantage of fibre optic current sensor is that it can measure steady-state or DC current. In addition, this kind of sensor has higher measurement accuracy, wider measurement range, better anti-interference ability. The goal of this project is to develop a fibre optic current sensor system on EAST tokamak.

在托卡马克装置中，等离子体环向电流是托卡马克放电运行的最基本参数之一。目前在EAST装置上，用于测量等离子体电流的是罗柯线圈加积分器组合，经由罗柯线圈测量由电流引起的磁通变化率，进行积分处理后得到等离子体电流。对于稳态运行装置，稳态等离子体电流和长时间积分器累计漂移均成该方法无法克服的问题。为了实现托卡马克以及今后聚变堆长时间稳态运行的目标，有必要发展新的等离子体电流测量系统。 光纤电流传感器是近年来随着光纤技术的发展而产生的一种新型电流测量装置，相对原有 的罗柯线圈系统，其最大的优势就是能够实现等离子体电流的稳态测量，同时具有更高的测量 精度，更大的测量范围，更强的抗干扰能力，是托卡马克以及聚变堆稳态运行等离子体电流测 量发展的方向。本项目的研究目标就是在EAST超导托卡马克上研发测量准稳态等离子体电流的 光纤电流传感器系统。

等离子体电流是磁约束聚变装置需要精确测量的基本参数之一。对于超导托卡马克千秒级长脉冲放电以及今后的聚变堆的稳态运行，目前常规装置上采用的罗柯线圈加积分器的组合测量由于运放的温度、零点漂移，电容器的泄露等问题，无法从原理和根本上解决问题。光纤电流传感器原理是通过磁场与光相互作用的法拉第效应进行电流测量的一种新型传感器，括结构简单，抗电磁干扰能力强，灵敏度高，稳定性好，带宽宽，能够实现等离子体电流的稳态测量。. 本项目针对超导托卡马克EAST装置和未来聚变堆稳态运行条件下等离子体电流测量的需求，提出采用光纤电流传感器系统，替代目前普遍使用的电磁感应方式（罗柯线圈）测量脉冲电流的技术路径。项目主要从传感器设计方案、运行环境及材料特性、制作安装工艺、信号补偿和标定等几个方面出发，成功研发了安装在真空室内部，满足EAST真空、高温、辐照环境的光纤电流传感器。通过测试，传感器完全满足了EAST等离子体电流测量的要求，达到了以下技术性能指标：等离子体电流测量范围：0-1.2MA；测量准确级达到0.5；线性度误差小于0.05%；时间响应小于0.1ms；-3dB带宽为0-6kHz。传感器在EAST装置真空室运行环境（真空度达到10-6Pa，200度以上的环境温度，辐照以及局部高能粒子轰击等）下可靠准确工作，同时满足等离子体及辅助波加热等复杂的电磁环境。在EAST装置长脉冲运行中成功用于等离子体电流反馈控制，获得了稳定的1056秒世界纪录等离子体放电。