Development of Internal Magnetic Probe Array with Dual Sensors in Versatile Experiment Spherical Torus (VEST)

Abstract

시동 단계의 VEST에서 자기장 널 (Null) 구조와 플라즈마 병합 과정을 위시한 자기장 구조를 측정하기 위해 내부 자기장 탐침 시스템이 개발되었다. 느리거나 빠르게 변하는 자기장을 모두 측정할 수 있도록 홀 센서와 칩 인덕터의 두 가지 측정기가 사용되었다. 측정기의 크기가 작기 때문에, 자기장 탐침 시스템이 플라즈마 변수를 심각하게 변화시키지 않으면서도 플라즈마로 삽입될 수 있다. 세라믹 코어 칩 인덕터와 집적 홀 센서가 측정기로서 선택되었다. 선택 과정에서는 노이즈 이상의 최소 측정 가능 자기장과 주파수에 따른 영향이 고려되었다. 그 후 목표하는 자기장 구조를 조사하여 내삽 오차를 최소화하면서도 공학적 한계에 부합하는 25개의 측정 지점이 확정되었다. 측정기들은 그 위치의 특수 설계된 기판 위에 3방향을 측정할 수 있도록 납땜되었다. 다양한 전자기 간섭 현상이 방호되었고 특히 편조선을 이용하여 전자 자기 공명 주파수 마이크로파 노이즈를 7 G로 줄였다. 플라즈마 에너지로부터의 열 부하가 계산되어 쿼츠 관의 설계에 참고하였다. 섭씨 0.2도의 온도 상승이 예측되었기 때문에 별도의 냉각 계통은 구성하지 않았다. 측정기들은 설치가 완료된 후 헬름홀츠 코일을 이용해 절대적으로 보정되었다. 100 G의 자기장을 낼 전력을 공급하기 위해 오디오 앰프가 이용되었다. 홀 센서의 감도는 13 V/T이며 주파수 반응은 0.03부터 10 kHz이다. 칩 인덕터 감도는 7.52 V/T이며 주파수 반응은 0.1부터 50 kHz까지이다. 두 감지기의 위상 편이는 편조선을 사용했음에도 무시할 만했는데, 이는 편조선이 매우 얇은 금속판처럼 취급될 수 있기 때문이다. 보정된 자기 측정기는 VEST 아래쪽 챔버에 설치되었다. 측정기들의 정렬 문제는 VEST의 토로이달 자장을 이용해 바로 보정되었다. 반지름 방향으로의 측정기 위치 역시 토로이달 자장을 이용해 보정되었다. 이 보정 방법들은 토로이달 자장이 정확히 측정될 수 있기에 제안될 수 있었음을 주목할 만 하다. 시험 측정은 진공 자기장을 이용해 진행되었다. 챔버 중앙에서 측정된 진공 자기장은 예상된 바와 잘 일치하였다. 그러나, 가장자리에서는 맴돌이 전류를 예상하기 어렵기 때문으로 보이는 불일치가 관찰되었다. 또 다른 시험 측정은 수치적으로 펼쳐진 플라즈마 전류에 대해 수행되어 플라즈마 병합시 내부 자기장 탐침 시스템의 사용 가능성을 증명하고자 했다. 현재의 설계로는 수직 방향 자기장 변화의 특성 길이가 3 cm인 플라즈마 전류 분포에 대해 2 % 이하의 오차로 측정할 수 있음을 알 수 있었다. Flux function의 재구성 방법은 내부 자기장 탐침을 플럭스 루프나 픽업 코일과 혼용하여 개선될 수 있다. 측정기간의 간격은 좀더 다양한 플라즈마 모양을 재구성할 수 있도록 업그레이드될 수 있다. 이상의 경험들을 바탕으로, 가운데 챔버에 적합한 내부 자기장 탐침 시스템이 가까운 미래에 개발될 수 있다.