基于快速CCD的托卡马克上升段等离子体的位置控制研究

在托卡马克等离子体启动过程中，等离子体的不稳定性对其特性有很大的影响，最终有可能造成放电的中断。到目前为止，国内外关于等离子体在启动之后一小段时间内(10～150毫秒)的特性缺乏深入的研究，现在国际上运行的大部分托卡马克装置在这段时间的控制方法都是运行人员根据过去的经验用程序控制的方法予以实现。本项目主要研究在托卡马克装置上等离子体击穿之后，尤其是击穿之后到等离子体平衡之间的时间段，等离子体位置实时反馈控制技术和物理机理。本项目使用快速CCD对EAST放电时等离子体的位置进行监控，通过对托卡马克电路方程的求解（这里必须包含真空室的涡流），将数据分析计算后得到的控制信号实时提供给控制系统(时间响应为5～10毫秒)，以提高此阶段的放电重复率，保证稳态运行的需要，为实现装置高参数先进运行创造条件。EAST作为"缩小版"的ITER，其上的研究工作可为将来的ITER装置提供可以直接应用和参考的结果。

托卡马克等离子体在启动过程中，等离子体刚被击穿后一段时间内，如何实现对等离子体的控制是托卡马克等离子体放电过程中一个很重要的内容，直接关系着等离子体放电的成功与否。由于在这个阶段等离子体还没有达到平衡的状态，所以该阶段不适用于平衡理论。本项目在中国科学院等离子体物理研究所全超导托卡马克EAST装置上开展研究工作，利用快速CCD成像技术开展超导托卡马克等离子体启动上升阶段的主动控制研究，探索此阶段等离子体位置的实时反馈控制技术和物理机理。本项目利用快速CCD对EAST装置放电时等离子体的位置进行监控，从切向观测窗口观察整个小环截面的放电形貌以便获得等离子体在整个截面上的辐射信息，能直观地展现等离子体放电的整个过程。根据EAST装置窗口分布特点，进行相关光路设计，设计并实现了该CCD图像采集系统的硬件和软件，完成托卡马克等离子体放电时的图像采集与保存，该CCD图像系统也成为EAST放电实验一个重要的诊断手段。通过放电时获得的等离子体图像位置特点，本项目采用数字图像处理方法(改进的主动轮廓模型算法以及基于Otsu阈值改良的Canny算法)实时获得等离子体边界位置，将检测后得到的等离子体边界通过最小二乘法对其边界进行拟合，通过对CCD相机在真空室中的标定信息，以此获得等离子体的中心位置，计算出等离子体在真空室的实际位置，配合电磁测量诊断数据，通过电路方程，求出真空室涡流的大小及其分布情况，在本项目研究中，通过此方法求出的涡流大小与实验中用电磁测量测出的涡流大小吻合的很好，验证了该方法模型的正确性。本项目完成了基于快速CCD的等离子位置控制系统的设计与实现。控制系统通过对托卡马克电路方程(这里必须包含真空室的涡流)的求解，依据真空区域水平场、垂直场的求解模型，求解出等离子体中心区域的水平场、垂直场，并与控制等离子体位置所需的最佳水平场和垂直场进行比较计算，本项目给出相关控制算法计算出所需要的极向场线圈电流，控制系统通过对极向场线圈电流大小和变化率的调节实现对托卡马克等离子体上升段的控制，给出了该阶段反馈控制的具体方法以及该控制模型在实验中的初步应用。