维度网讯，俄罗斯国立核研究大学莫斯科工程物理学院(НИЯУ МИФИ)激光与等离子体技术研究所的科研人员开发并测试了一套实验装置，用于测量前景广阔的聚变反应堆——球形托卡马克中的磁场。该装置能够在模型上识别出因微小的装配误差而产生、并扭曲等离子体束形状的有害“寄生场”。

这项研究得到了俄罗斯科学基金会资助(项目编号：23-72-01037)，成果发表于权威期刊《列别捷夫物理研究所通报》，其通俗版介绍则刊登在高端科技媒体CNews上。

任何聚变反应堆的基础都是磁场。它如同一个无形的瓶子，约束着炽热的等离子体，防止其接触真空室壁。磁场越强，约束效果越好，装置的功率也越高。

然而，传统的线圈设计存在缺陷：绕线时导线的微小位移或安装时的轻微倾斜都会导致垂直和径向寄生场的出现。这些畸变是等离子体束的主要敌人：它们会引起不稳定性，将粒子“撞出”磁约束阱，最终导致聚变反应熄灭。

通常，人们依靠计算机进行模拟计算。但在现实中，特别是对于连续的环向场螺绕环这种新颖的构型(其内侧绕组之间平滑过渡)，会出现许多细微问题。这些问题是无法仅通过计算预测的——必须进行实际测量。

未来反应堆的缩小模型

为了研究这一问题，物理学家们搭建了一个缩比模型——其尺寸为莫斯科工程物理学院在建的MEPhIST-1托卡马克的三分之一。这是一个用3D打印制成的精密环体(环形)，表面加工有凹槽，凹槽内铺设有铜导线。该结构是可拆卸的：研究人员可以改变构型，在不同极向(横向)截面安装测量模块，并观察寄生场如何随绕线角度变化而增长。

在这个实验模型上，研究人员可以沿环体圆周的四个不同点进行磁场测量，并且可以在不拆解整个结构的情况下，取出φ=0截面的传感器盒。这提供了在全尺寸装置上工作的同行所不具备的灵活性。

智能电路板取代笨重仪器

为了测量磁场，科学家们设计了一种专用的印刷电路板。板上集成了一个由36个三分量数字霍尔传感器组成的阵列(水平方向4个，垂直方向9个)，以及独立的微控制器。该系统是自给自足的：它能以每秒1000次的频率同步读取所有传感器的数据，并将数据记录到内置存储器中。

莫斯科工程物理学院的科研人员解决的主要工程难题是：如何在巨大的环向场(主磁场)背景下分辨出微小的寄生分量。这如同在摇滚音乐会现场听到蚊子的嗡嗡声。

每个传感器的灵敏度优于0.3毫特斯拉。在180安培电流下，寄生场几乎看不到——它们淹没在噪声中。但当实验人员将电流提升到1200安培时，情况变得清晰起来。主要的寄生分量是垂直场，这与理论相符。

结果：理论需要修正

实验表明，尽管主环向场的形态与计算机模型高度吻合，但寄生场与主场的比值却比预测值高出数倍。这意味着，即使看似完美的设计方案也会遭遇现实挑战：引线、线圈的微观扭曲以及传感器的倾斜都会产生影响。

莫斯科工程物理学院指出：“最有趣的部分现在才开始。科学家们获得的不仅是一个校准工具，更是一个能够在每一点‘感知’磁场的仪器。发现与计算结果的不符并非失败，而是宝贵的数据。现在，物理学家们知道了那些未考虑的因素藏在哪里，并可以据此调整未来反应堆的设计。”

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