（1）实验原理(限1000字以内)

聚变堆（托卡马克）装置，采用巨大的超导线圈来约束等离子体，如下图：

线圈分为三种类型，分别为极向，环向，和中心环。首先通过在中心环中导入脉冲电流，初始化产生等离子体，然后通过外置的射电线圈对等离子体进行加温。在这个过程中，通过调节线圈的电流值来控制等离子体不会破裂。当等离子体加温到一定程度，进入中性束加热阶段，温度进一步提高。同时在恰当的时机和位置，不断提升线圈的磁场，加强约束并提高等离子体密度，最终达到罗森判据（核聚变产生的最基本要求）即，密度，约束，时间和密度的乘积大于最小三重积n·τ_E·T > R，从而产生核聚变放出能量。然后需要通过多种光谱诊断方法，监视等离子体的状态，并研究其中的物质和能量的流动方式，以及这些流动对于等离子体破裂，和温度骤降的影响，从而理解如何才能维持更长时间的聚变反应，使之正常进入实用阶段。

在聚变等离子体中，由于磁场梯度的存在，不同电荷粒子会分离。所以托卡马克必须采用扭曲环绕磁场来保持等离子体的完整性，而如何操作和控制也是本实验的一个重要仿真内容。而如何通过偏滤器排除内部反应后产物和高Z元素，也是一个重要的仿真内容。

知识点集群：共7个

1.等离子体初始化原理

2．等离子体射电加热方法

3．等离子体中性束加热方法

4．托卡马克扭曲磁场原理和方法

5．托卡马克磁场控制原理

6．托卡马克偏滤器原理和控制

7．托卡马克光谱诊断原理和方法

8．托卡马克安装的EUV谱仪的原理和结构

9．托卡马克安装的X射线谱仪的原理和结构

10．托卡马克安装的可见光谱仪的原理和结构

11．托卡马克主动探测技术

12．托卡马克主线圈设计要素

（2）核心要素仿真设计（对系统或对象的仿真模型体现的客观结构、功能及其运动规律的实验场景进行如实描述，限500字以内）

仿真场景将包括：（将类似下页图）

1聚变堆装置（托卡马克）核心腔体和线圈

2托卡马克冷却系统和其他主结构系统。

3中性束注入系统和偏滤器系统。

4托卡马克主要诊断系统（光子诊断）。

5建筑和主要辅助设备。

6主控实验大厅和数据处理中心。

仿真过程设计为：

A通过在主控实验大厅操作各系统的状态和参数，调节等离子体（通过视觉化可以看到，类似下页图中，中间淡紫色部分）约束，产生聚变。通过在大厅监控各个诊断设备的回读结果，了解聚变状态，改变参数实现最优结果。

B通过在各个系统间，无限制的穿行，可以视觉化看到各系统的工作方式和原理。这在真实世界中是不可能实现的。

C通过在数据处理中心，对各系统的数据进行深度处理，进一步研究聚变控制原理。

在实验中，学生通过几种方法接入到虚拟世界：VR眼镜，电脑网页端，手机端。

（在课堂上我们将优先采用VR方式，通过手部动作直接控制虚拟物体。）

进入虚拟世界后，学生首先在主控大厅中，在各个控制台上，通过交互操作，打开各类设备，调节各类参数。通过反馈数据和图标，不断调整实现一定的科学目标。比如最基本的 产生等离子体，产生聚变，或者更为复杂的产生高参数的聚变示例等。同时也会体会到错误操作带来的问题和危险。如果中途实验失败，还可以存档，并读取存档，从错误之前开始。

根据不同的学生和受众，将有不同的教学和实验任务。由于我们将采用真实的物理模型和数据，这些任务可以从最简单的演示，到具有研究性质的物理过程模拟。兼具教学和部分科研的功能。

实验中及实验后，系统将根据参与者的操作的合理性和结果的优越性进行分布打分（参观模式下，为自动引导操作），让参与者得到一个掌握程度的反馈。

实验中，我们将尝试引入眼动跟踪技术，来记录参与者操作时的注意力集中模式，和动作配合模式，从而研究如何更好的为真实托卡马克设计操作规范。

项目二期我们还将加入多人协作模式，不同的人通过虚拟世界的联网，在实验中分别控制不同的设备，协同完成一个实验。

（1）学生交互性操作步骤，共步

（2）交互性步骤详细说明

以下操作和交互流程为全流程介绍，对于不同的任务等级，将做不同的省略或者自动化运行。（以下每个交互步骤实际包含至少10次以上操作）。

1打开所有机柜电源，机器电源。注意顺序。调整好所有系统的初始值。

2通过操控多台设备，引入初始化等离子体，产生中心环线圈脉冲电流，产生最初始的等离子体。

3通过操作射电发生机柜的各个电源，向等离子体注入射电加热。

4通过操作中心束发生器，向等离子体注入中性束加热。

5通过调节偏滤器的各电源的参数，实现反应产物的平衡排除，以及热量的充分耗散

6通过调节各线圈参数，观察和理解束流的反应，从而调到最佳约束状态。

7通过调整各线圈和各电极，达到理想的离子和影响价态分布

8通过操作至少3台虚拟光谱仪，获得不同不断光谱随时间的变化。

9通过光谱进行等离子体状态诊断，并同步思考之前的操作，得出最优的调节模式，并进一步优化参数。

10等离子约束破损之后，通过及时处理各电极和线圈参数的突变，平稳实现安全停束流。

11将各设备恢复到安全参数，然后按顺序关机。

注：托卡马克的一次放电过程实际比较短，但为了方便学生理解和操作，在虚拟中时间维会被放大或暂停，从而使得一个学生即可完成所有的操作。而在多人模式下，则可以恢复正常速度，多人协作。

由于采用了真实的物理模型和参数，并通过蒙特卡洛方法进行模拟。

上述每个步骤的过程的每一个操作等会引起系统的变化。都有可能带来不同的结果，并且具有几乎无限的组合可能。所以我们允许一定程度的结果不同，但对于一个特定的任务，我们会设置一些指标，以完成指标作为实验成功的判据。