JP2019525390A - 鉱物絶縁された組み合わせられた磁束ループおよびｂドットワイヤ - Google Patents

Abstract

例えば、ステンレス鋼等の外側シースを有する単一鉱物絶縁ケーブルと、シース内に位置付けられ、例えば、ＭｇＯ等の鉱物絶縁体の中に埋設されている３つの導体とを備えている磁束ループとＢドットプローブの組み合わせ。導体のうちの１つは、単一ループを有する磁束ループを形成し、第２および第３の導体は、二重ループを有する単一ワイヤを備えているＢドットプローブを形成する。組み合わせプローブは、組み合わせられたプローブが湾曲形状に形作られるとき、湾曲に沿った導体のねじれを防止するように構成されている。ねじれを防止するために、導体は、略平坦な長方形形状の断面を有するリボンワイヤとして形成され得、および／または、シースは、略卵形または長方形形状の断面を有し得る。

Description

本明細書に説明される主題は、概して、プラズマ診断に関し、より具体的には、プラズマおよび磁気コイルによって発生させられる変化する磁場の測定を促進する磁気診断プローブに関する。

誘導磁気診断は、プラズマおよび磁気コイルによって発生させられる変化する磁場を測定するために使用される。例えば、逆転磁場構成（ＦＲＣ）プラズマ等のプラズマの多くのパラメータは、サイズ、形状、場所、大域的不安定性モード、および周波数高変動を含む磁気測定値から推測されることができる。これらの種々のパラメータの品質測定は、真空または閉じ込め容器の内側壁全体を通して設置される特殊な個々の磁気センサのアレイを要求する。各個々の磁気センサは、典型的には、アナログ積分器およびデータ入手電子機器に接続されるワイヤのループである。このタイプのセンサは、通常、断面積が小さい場合、磁気プロープもしくはＢドットと呼ばれるか、または、大きい場合、磁束ループと呼ばれる。これらの磁気センサは、概念上、非常に単純であるが、実践的磁気診断システムの設計は、検出帯域幅、雑音ピックアップ、真空適合性、放射環境適合性、一般的耐久性、整列能力、および信号ドリフトを含む多種の要因によって複雑である。これら全ての要因間の相互作用に固有のトレードオフのバランスを保つことは、良好な磁気診断システムの設計に重要である。

磁気プローブおよび磁束ループは、由緒あるプラズマ診断のタイプであり、堅牢であり、効果的でもある。これらのデバイスは、ファラデーの電磁誘導の法則を採用し、磁場および磁束を測定する。ワイヤのコイルを通る磁束

の変化は、コイルの軸と平行な磁場成分Ｂの時間微分に比例する電圧Ｖ_ｃを生産する。

式中、ｎ_ｃは、巻数であり、ａ_ｃは、各巻の面積である。Ｖ_ｃの測定値は、したがって、コイルの構成に応じてΦまたはＢのいずれかのための値を求めるために、電子的に、または算出を通してのいずれかにおいて積分されることができる。大面積を包含する、単巻コイルは、Φを測定するために使用され、磁束ループと称される。それらの内側の磁場が均一であると仮定され得るほど十分に小さい多巻コイルは、磁気プローブまたはＢドットプローブと呼ばれ、Ｂを測定するために使用される。

ＦＲＣプラズマの形状、サイズ、および縦方向位置は、ＦＲＣプラズマによって排除される磁束から推測されることができる。プラズマの開始に先立って、典型的には、均一磁場がＦＲＣプラズマ閉じ込めシステムの閉じ込めチャンバを充填する。この磁場は、図１では、Ｂ_０によって表される。真空容器の磁束保存特性と組み合わせられたプラズマトロイドの診断特性は、プラズマが閉じ込め形成セクションから領域に進入するとき、ＦＲＣと壁との間の初期閉じ込めチャンバ磁場の圧縮をもたらす。図１におけるＦＲＣの外側のエリアにおける結果として生じる磁場の増加Ｂ_ｅは、チャンバ壁のすぐ内側に位置付けられる磁気プローブによって測定される。理想的な場合、排除される磁束半径ｒ_Δφは、単に、

によって与えられ、式中、ｒ_ｗは、壁半径である。排除される磁束半径ｒ_Δφは、大部分の条件下、セパラトリクス半径ｒ_ｓと略等しい。セパラトリクスは、ＦＲＣを画定する開磁力線と閉磁力線との間の境界の表面である。

磁気コイルによって発生させられる磁場の監視は、磁気診断の重要な二次機能である。磁気コイルが接続されるとき、またはその電力供給源のプログラミング中、誤りが生じ得る。したがって、デバイス内の実際の磁場が要求されたものと同一であることを検証する独立手段を有することが望ましい。磁気診断（それらの多くが据付前に磁場を把握するために絶対的に較正される）は、この能力を提供する。

個別的なプローブおよび磁束保存についての仮定を使用するのではなく、磁束ループおよび環状Ｂドットプローブを使用して着目量を直接測定する必要がある事例が存在する。しかしながら、真空容器における空間および実践的な貫通数は、常に限定され、それは、最適数の個々の磁束ループおよびＢドットプローブを提供することを困難にする。

したがって、改良された磁束ループおよびＢドットプローブを提供することが望ましい。

構造および動作を含む、例示的実施形態の詳細は、同様の参照番号が同様の部品を指す、付随の図の検討によって部分的に得られ得る。図中の構成要素は、必ずしも、正確な縮尺ではなく、代わりに、本発明の原理の例証に強調が置かれる。さらに、全ての例証は、概念を伝達するために意図され、相対的サイズ、形状、および他の詳細な属性は、文字通りまたは精密にではなく、図式的に図示され得る。

図１は、ＦＲＣプラズマ（右）の到着による、既存の磁束（左）の排除の例証である。 図２は、組み合わせられた磁束とＢドットプローブがその中に位置付けられているＦＲＣ閉じ込めシステムの端面断面図である。 図３は、本実施形態の組み合わせられた磁束とＢドットプローブの３つのワイヤ構成の例証である。 図４は、図３における線４−４に沿って得られた組み合わせられた磁束とＢドットプローブの断面図である。 図５、６、および７は、組み合わせられた磁束とＢドットプローブの代替実施形態の断面図である。 図５、６、および７は、組み合わせられた磁束とＢドットプローブの代替実施形態の断面図である。 図５、６、および７は、組み合わせられた磁束とＢドットプローブの代替実施形態の断面図である。

類似構造または機能の要素は、概して、図全体を通して、例証目的のために同様の参照番号によって表されることに留意されたい。図が、好ましい実施形態の説明を促進するためだけに意図されることにも留意されたい。

以下に開示される追加の特徴および教示の各々は、別個に、または組み合わせられた磁束とＢドットプローブを提供する他の特徴および教示と併せて、利用されることができる。その実施例が、別個および組み合わせの両方においてこれらの追加の特徴および教示の多くを利用する本明細書に説明される実施形態の代表的実施例が、ここで、添付の図面を参照して説明されるであろう。本発明を実施するための形態は、単に、当業者に、本教示の好ましい側面を実践するためのさらなる詳細を教示することを意図し、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。したがって、以下の発明を実施するための形態に開示される特徴およびステップの組み合わせは、最も広義において、本発明を実践するために必要ではないこともあり、代わりに、本教示の代表的実施例を特に説明するためだけに教示される。

さらに、代表的実施例および従属請求項の種々の特徴は、本教示の追加の有用な実施形態を提供するために、具体的かつ明示的に列挙されない方法で組み合わせられ得る。加えて、説明および／または請求項に開示される全ての特徴は、元々の開示の目的のために、ならびに実施形態および／または請求項における特徴の複合物から独立して、請求される主題を制限する目的のために、互いから別個かつ独立して開示されることが意図されることに明示的に留意されたい。全ての値範囲またはエンティティの群の指示は、元々の開示の目的のために、ならびに請求される主題を制限する目的のために、あらゆる可能な中間値または中間エンティティを開示することにも明示的に留意されたい。

本明細書に提供される実施形態は、組み合わせられた磁束とＢドットプローブを対象とし、組み合わせられた磁束とＢドットプローブは、容器の内壁の曲率に沿った閉じ込め容器内での搭載を容易にする。図２に目を向けると、ＦＲＣプラズマ閉じ込めシステム１０が、示され、システム１０は、閉じ込めチャンバまたは容器１２と、容器１２内に閉じ込められたＦＲＣプラズマ１４と、容器１２の周りに位置付けられたソレノイド磁気コイル１６とを備えている。組み合わせられた磁束とＢドットプローブ２０は、容器１２の内壁の近くに位置付けられている。

Ｂドットプローブおよび磁束ループは、堅牢であり、効果的でもあり、由緒あるプラズマ診断のタイプである。例えば、ＦＲＣプラズマ閉じ込めシステム１０またはトカマク等の閉じ込め容器１２の内部等、診断センサがプラズマ放射および／または中性子フルエンスを受ける高温プラズマ環境は、プラズマ放射加熱により過熱しないであろうセンサを要求し、かつ中性子フルエンスに耐え得るセンサ材料を要求する。例えば、ＭｇＯ等を備えている非有機絶縁材料を含む鉱物絶縁ケーブルが、典型的には、中性子フルエンスが高い高温プラズマ環境内で使用される。Ｈｏｄａｐｐ ｅｔ．ａｌ，“Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ ｆｏｒ ｆｕｔｕｒｅ ｔｏｋａｍａｋｓ，”Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ １６ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｆｕｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｍｐａｉｇｎ，ＩＬ，１９９５，ｐｐ．９１８−９２１ ｖｏｌ．２（参照することによって本明細書に組み込まれる）を参照されたい。

図３および４に示されるように、組み合わせプローブ１２は、好ましくは、例えば、ステンレス鋼、インコネル、または別の高温金属合金を備えている外側シース２６を有する単一鉱物絶縁ケーブルと、シース２６内に位置付けられ、鉱物絶縁体２８内に埋設された３つの導体２２および２４とを備え、鉱物絶縁体２８は、例えば、ＭｇＯ、ＳｉＯ_２、または別の圧密可能絶縁鉱物粉末等の非有機鉱物絶縁体を備えている。導体のうちの１つ２２は、容器１２全体の周囲を１回進行し、それ自体ねじられ、容器１２から退出する磁束ループ２２を形成する。第２および第３の導体は、Ｂドットプローブ２４を形成し、それは、面積における変動に非常に敏感である。Ｂドット２４は、容器１２の周囲を２回ループする単一ワイヤを備えている。ワイヤ２４は、一端で短絡され、それ自体ねじられ、容器１２から退出する。

単一鉱物絶縁ケーブル内に含まれながら磁束ループ２２およびＢドット２４プローブが適切に機能するために、組み合わせられたプローブ２０の３つの導体２２および２４は、好ましくは、容器１２の壁と垂直に整列させられる。組み合わせられたプローブ２０が湾曲形状に形作られるとき、ねじりが湾曲した曲がりに沿って生じる場合、導体間の断面積の低減をもたらし、それは、前述のように、面積の変動に非常に敏感な傾向にある、Ｂドット２４のために問題となりやすい。

図５に目を向けると、組み合わせられたプローブ１２０の実施形態は、３つのリボンワイヤ１２２および１２４を備えているケーブルを含み、それらは、例えば、銅等から形成され、略平坦長方形形状の断面を有する。リボンワイヤ１２２および１２４は、間隔を置かれた関係においてそれらの幅に沿ってスタックされる。このスタックされたリボンワイヤ構成は、組み合わせられたプローブ１２０が湾曲形状に形作られるとき、ねじれを防止する傾向にある。３つのリボンのうちの１つのリボン１２２は、磁束ループのために使用され、２つの他のリボン１２４は、好ましくは、Ｂドットプローブを形成する単一リボンを構成する。

組み合わせられたプローブ２２０の別の実施形態が、図６に示される。描写されるように、外側シース２２６は、好ましくは、対向する細長い平坦側面を備え、略卵形、長方形等の形状の断面を形成する。描写されるように、シース２２６は、弧状端部２２１と２２３との間に延びている対向する平坦側面２２５および２２７を含む。さらに描写されるように、３つのリボンワイヤ１２２および１２４は、シース２２６の広い平坦側面２２５および２２７に沿って間隔を置かれた関係にスタックされる。シース２２６の卵形形状の断面構成は、リボンワイヤ１２２および１２４の長方形断面構成とともに、リボンワイヤ１２２および１２４が、組み合わせられたプローブ２２０が湾曲形状に形作られるとき、ねじれることをさらに防止する傾向にある。

図７に示されるように、組み合わせられたプローブ３２０のさらに別の実施形態は、好ましくは、略卵形、長方形等の形状の断面を形成する対向する細長い平坦側面を備えている外側シース２２６を含む。描写されるように、シース２２６は、弧状端部２２１と２２３との間に延びている対向する平坦側面２２５および２２７を含む。しかしながら、スタックされた平坦リボンワイヤの代わりに、３つの導体３２２および３２４は、例えば、円形、正方形、八角形等を含む任意の断面形状を有し得る。外側シース２２６の広い平坦側面２２５および２２７は、組み合わせられたプローブ３２０が湾曲形状に形作られるとき、３つの導体３２２および１２４がねじれることを防止する傾向にある。

本明細書に提示される実施形態は、例示的目的のためだけに、ＦＲＣプラズマ環境に関して議論されたが、本明細書に提示される実施形態は、例えば、トカマク等のプラズマ放射および／または中性子フルエンスを受ける種々の高温環境内で使用され得る。

しかしながら、本明細書に提供される例示的実施形態は、単に、例証的実施例として意図され、いかようにも限定されない。

本明細書に提供される任意の実施形態に関して説明される全ての特徴、要素、構成要素、機能、およびステップは、任意の他の実施形態からのものと自由に組み合わせ可能かつ代用可能であることを意図している。ある特徴、要素、構成要素、機能、またはステップが、一実施形態のみに関して説明される場合、特徴、要素、構成要素、機能、またはステップは、別様に明示的に記述されない限り、本明細書に説明される全ての他の実施形態とともに使用され得ることを理解されたい。この段落は、したがって、常に、異なる実施形態からの特徴、要素、構成要素、機能、およびステップを組み合わせる、または、一実施形態からの特徴、要素、構成要素、機能、およびステップを別のもので代用する、請求項の導入の先行する基礎ならびに書面による支援としての役割を果たし、仮に以下の説明が、特定の事例において、そのような組み合わせまたは代用が可能であることを明示的に記述しなくても、そのような役割を果たす。特に、本説明を読んだ当業者が、ありとあらゆるそのような組み合わせおよび代用の許容性が容易に認識されるであろうことを考えれば、可能性として考えられる全ての組み合わせおよび代用を明示的に記載することは、過度の負担である。

多くの事例では、エンティティは、他のエンティティに結合されるように本明細書に説明される。用語「結合される」および「接続される」（またはその形態のいずれか）は、本明細書では同義的に使用され、両場合では、２つのエンティティの直接結合（任意の無視不可能である（例えば、寄生）介在エンティティを伴わずに）および２つのエンティティの間接結合（１つ以上の無視不可能である介在エンティティを伴う）に包括的であることを理解されたい。エンティティが、一緒に直接結合されるように示される、または任意の介在エンティティの説明を伴わずに、一緒に結合されるように説明される場合、それらのエンティティは、文脈によって明確に別様に示されない限り、同様に、ともに間接的に結合されることができることを理解されたい。

実施形態は、種々の修正および代替形態を被るが、その具体的実施例が、図面に示され、本明細書に詳細に説明されている。しかしながら、これらの実施形態は、開示される特定の形態に限定されるものではなく、対照的に、これらの実施形態は、本開示の精神内にある全ての修正、均等物、および代替案を網羅するものであることを理解されたい。さらに、実施形態の任意の特徴、機能、ステップ、または要素、ならびに請求項の発明の範囲を定義する否定的限定が、請求項に記載もしくは追加され得る。

Claims (30)

1. プラズマ閉じ込めシステムであって、前記プラズマ閉じ込めシステムは、
   閉じ込めチャンバまたは容器と、
   前記容器の周りに位置付けられている磁気コイルと、
   組み合わせプローブと
   を備え、
   前記組み合わせプローブは、前記容器の内壁の近くに位置付けられている磁束ループおよびＢドットプローブのうちの１つ以上のものを備え、前記組み合わせプローブは、前記組み合わせプローブが湾曲形状に形作られるとき、ねじれを防止するように構成されている、プラズマ閉じ込めシステム。
2. 前記組み合わせプローブは、単一鉱物絶縁ケーブルを備えている、請求項１に記載のプラズマ閉じ込めシステム。
3. 前記組み合わせプローブは、外側シースと、前記シース内に位置付けられている３つの導体とを備え、前記３つの導体は、鉱物絶縁体の中に埋設されている、請求項１に記載のプラズマ閉じ込めシステム。
4. 前記シースは、高温金属または金属合金から形成されている、請求項３に記載のプラズマ閉じ込めシステム。
5. 前記高温金属合金は、インコネルである、請求項４に記載のプラズマ閉じ込めシステム。
6. 前記高温金属は、ステンレス鋼である、請求項４に記載のプラズマ閉じ込めシステム。
7. 前記鉱物絶縁体は、圧密可能絶縁鉱物粉末を備えている、請求項３に記載のプラズマ閉じ込めシステム。
8. 前記圧密可能絶縁鉱物粉末は、ＭｇＯまたはＳｉＯ２のうちの１つを含む、請求項７に記載のプラズマ閉じ込めシステム。
9. 前記３つの導体のうちの１つは、単一ループを有する単一ワイヤを備えている磁束ループを形成する、請求項３に記載のプラズマ閉じ込めシステム。
10. 前記３つの導体のうちの他の２つは、二重ループを有する単一ワイヤを備えているＢドットプローブを形成する、請求項９に記載のプラズマ閉じ込めシステム。
11. 前記組み合わせプローブは、略平坦長方形形状の断面を有するリボンワイヤを含む、請求項１−１０に記載のプラズマ閉じ込めシステム。
12. 前記組み合わせプローブは、１つ以上の細長い平坦側面を有するシースを含む、請求項１−１１に記載のプラズマ閉じ込めシステム。
13. 前記シースは、卵形形状の断面または長方形形状の断面のうちの１つを有する、請求項１２に記載のプラズマ閉じ込めシステム。
14. 前記シースは、弧状端部間に延びている対向する平坦側面を含む、請求項１２に記載のプラズマ閉じ込めシステム。
15. 前記組み合わせられたプローブの導体は、前記容器壁に直交する方向に垂直整列でスタックされている、請求項１−１４に記載のプラズマ閉じ込めシステム。
16. 組み合わせ磁気感知プローブであって、前記プローブは、
    シース内に位置付けられている磁束ループおよびＢドットプローブのうちの１つ以上のものを備え、
    前記磁束ループおよびＢドットプローブのうちの１つ以上のものは、前記組み合わせられたプローブが湾曲形状に形作られるとき、ねじれを防止するように構成されている、プローブ。
17. 前記組み合わせプローブは、単一鉱物絶縁ケーブルを備えている、請求項１６に記載のプローブ。
18. 前記組み合わせプローブは、外側シースと、前記シース内に位置付けられている３つの導体とを備え、前記３つの導体は、鉱物絶縁体の中に埋設されている、請求項１６に記載のプローブ。
19. 前記シースは、高温金属または金属合金から形成されている、請求項１８に記載のプローブ。
20. 前記高温金属合金は、インコネルである、請求項１９に記載のプローブ。
21. 前記高温金属は、ステンレス鋼である、請求項１９に記載のプローブ。
22. 前記鉱物絶縁体は、圧密可能絶縁鉱物粉末を備えている、請求項１８に記載のプローブ。
23. 前記圧密可能絶縁鉱物粉末は、ＭｇＯまたはＳｉＯ_２のうちの１つを含む、請求項２２に記載のプローブ。
24. 前記３つの導体のうちの１つは、単一ループを有する単一ワイヤを備えている磁束ループを形成する、請求項１８に記載のプローブ。
25. 前記３つの導体のうちの他の２つは、二重ループを有する単一ワイヤを備えているＢドットプローブを形成する、請求項２４に記載のプローブ。
26. 前記組み合わせプローブは、略平坦長方形形状の断面を有するリボンワイヤを含む、請求項１６−２５に記載のプローブ。
27. 前記組み合わせプローブは、１つ以上の細長い平坦側面を有するシースを含む、請求項１−２６に記載のプローブ。
28. 前記シースは、卵形形状の断面または長方形形状の断面のうちの１つを有する、請求項２７に記載のプローブ。
29. 前記シースは、弧状端部間に延びている対向する平坦側面を含む、請求項２７に記載のプローブ。
30. 前記組み合わせられたプローブの導体は、容器壁に直交する方向に垂直整列でスタックされている、請求項１６−２９に記載のプローブ。