俄罗斯国立核能研究大学莫斯科工程物理学院（MEPhI）开发并测试用于测量球形托卡马克中磁场的实验装置

俄罗斯国立核能研究大学莫斯科工程物理学院(MEPhI)激光与等离子体技术研究所的研究人员开发并测试了一套实验系统，用于测量球形托卡马克中的磁场。球形托卡马克被认为是极具前景的聚变反应堆方案之一，而这套系统能够发现原型装置中因微小装配缺陷产生的有害“寄生”磁场。这类磁场会扭曲等离子体柱的形状，影响反应堆的稳定运行。

这项研究获得俄罗斯科学基金会资助，项目编号为23-72-01037，相关成果已发表在权威学术期刊。研究团队希望通过实验测量，为未来聚变装置的磁场设计提供更可靠的校准依据。

对于任何聚变反应堆而言，磁场都是核心要素。它像一个看不见的瓶子，将高温等离子体约束在反应堆内部，防止其接触反应堆壁。磁场越强，等离子体约束效果通常越好，反应堆能够实现的功率输出也越高。

不过，传统线圈结构存在天然风险。在绕制过程中，导线哪怕出现极其轻微的位置偏移，或在安装时产生微小偏差，都可能引发垂直和径向方向上的寄生磁场。这些畸变会破坏等离子体柱的稳定性，使粒子脱离磁约束区域，最终降低甚至抑制热核反应效率。虽然工程设计通常依赖计算机模拟，但对于带有复杂几何结构的实心环形螺线管，尤其是内半径处线圈匝间平滑过渡等细节，仅凭计算很难完全预测实际情况，必须通过测量进行验证。

为此，物理学家建造了正在MEPhI研发的MEPhIST-1托卡马克原型装置的1:3比例模型。该模型是一个精细的3D打印环形结构，表面加工有凹槽，铜线被放置在凹槽中形成线圈。它采用可拆卸设计，研究人员可以改变结构，在不同极向截面上安装测量模块，并观察寄生磁场如何随绕线角度变化而增强。这个模型相当于一个实验平台，允许在环面圆周上的四个不同位置进行现场测量，其中位于φ=0截面的传感器盒可在不拆解整个结构的情况下取出，为实验调整提供了很高的灵活性。

为了测量这些磁场，研究人员专门设计了一块印刷电路板。电路板上集成了由36个三分量数字霍尔传感器组成的矩阵，排列方式为4个水平层、9个垂直位置，并配有自主开发的微控制器。系统可以独立运行，以每秒1000次的频率同步读取所有传感器数据，并将结果记录到内置存储器中。团队面临的主要工程难题，是如何在强大的主环向磁场背景下分辨出极其微弱的寄生分量，这类似于在摇滚音乐会现场辨认蚊子的嗡鸣声。

每个传感器的灵敏度优于0.3毫特斯拉。当实验电流为180安培时，寄生磁场几乎难以辨认，基本被噪声淹没;但当电流提高到1200安培后，磁场分布变得清晰。测量结果显示，主要寄生磁场分量出现在垂直方向，这与理论预期一致。然而实验也发现，虽然主环向磁场的形状与计算机模型高度吻合，杂散磁场与主磁场的比值却比预测值高出数倍。

这一结果表明，即使看似理想的线圈设计，在现实中也会受到许多额外因素影响，例如电源线布置、线圈微小偏差以及传感器自身倾斜等。MEPhI方面指出，最重要的工作才刚刚开始：研究人员不仅获得了校准结果，还得到了一种可以逐点“探测”磁场的工具。实验中发现的偏差并不是失败，而是有价值的数据，它们可以帮助物理学家找出此前模型中未被充分考虑的因素，并据此改进未来聚变反应堆的线圈设计。