J-TEXT托卡馬克歐姆放電條件下熱輻射功率的測(cè)量與分析.pdf

1、托卡馬克放電會(huì)產(chǎn)生等離子體(包含電子和離子),同時(shí)存在的還有等離子體周圍的、未被離化的中性粒子。這些粒子之間以及其與電磁場(chǎng)之間的相互作用,會(huì)伴隨有電磁波的輻射。當(dāng)托卡馬克等離子體處于熱力學(xué)平衡或局部熱力學(xué)平衡狀態(tài),即系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)(分子、原子、離子、電子等)的能量分布可以用一定溫度下的玻耳茲曼分布表示時(shí),此時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁輻射行為廣義上稱為熱輻射。熱輻射是高溫等離子體能量輸運(yùn)和耗散的一個(gè)重要途徑,測(cè)量熱輻射可以很好的了解能量平衡,同時(shí)通過(guò)對(duì)

2、熱輻射的測(cè)量可以給出等離子體的許多信息,如組分、電離狀態(tài)等。因而在托卡馬克等離子體物理研究中,熱輻射測(cè)量是基本的診斷。
　　論文主要的研究工作為J-TEXT托卡馬克的熱輻射測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用,以及對(duì)歐姆放電情況的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和物理分析。主要內(nèi)容有以下幾個(gè)方面:
　　(1)由于在目前的托卡馬克溫度下,對(duì)托卡馬克等離子體的熱輻射有顯著貢獻(xiàn)的電磁波譜多落在真空紫外波段及軟X射線波段,因此根據(jù)J-TEXT托卡馬克等離子體密度、溫度等

3、參數(shù),可以估算出熱輻射的主要貢獻(xiàn)波段及輻射總功率,并由此選用合適的探測(cè)器(光電二極管)和設(shè)計(jì)合適的接收光路,搭建熱輻射測(cè)量系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)其功能可分為兩大部分:極向陣列和環(huán)向陣列。極向陣列主要用于探測(cè)輻射總功率,反演輻射功率剖面,觀測(cè)極向熱輻射的時(shí)間和空間演化過(guò)程。環(huán)向陣列分立于大環(huán)圓周的9個(gè)小窗口之上,可以研究環(huán)向熱輻射的對(duì)稱性(特別是在破裂放電情況下以及破裂緩解過(guò)程中)及驗(yàn)證磁面的完備性。其設(shè)計(jì)具有一定的創(chuàng)新意義。
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4、)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在J-TEXT托卡馬克歐姆放電中,平頂階段的熱輻射總功率大約占?xì)W姆加熱功率的20-80％,由此可見(jiàn)熱輻射在能量平衡中扮演了非常重要的角色。基于極向熱輻射陣列測(cè)量結(jié)果反演出來(lái)的輻射功率剖面原則上可以反映出溫度大致的空間分布情況和等離子體中的雜質(zhì)情況(如,組分、比例等)。在J-TEXT歐姆放電中,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)輻射功率剖面的基本形狀主要有兩種:峰化狀和中空狀。峰化狀剖面芯部(r=0-0.2 a,a為等離子體小半徑)的輻射強(qiáng)度占總輻射強(qiáng)度

5、的30％左右,邊界部分(r=0.7a-a)為15％,分析表明芯部輻射主要由重雜質(zhì)線輻射(FeII等)提供的;中空狀剖面的芯部(r=0-0.2a)的輻射強(qiáng)度占總輻射強(qiáng)度的15％左右,邊界部分(r=0.7a-a)為20％,這一部分的輻射主要由輕雜質(zhì)(如C等)的線輻射提供。
　　(3)J-TEXT熱輻射測(cè)量系統(tǒng)采用光電二極管陣列作為其探測(cè)器,這種探測(cè)器的響應(yīng)速度為0.5sm(AXUV16ELG),基本上可以滿足一些MHD行為的觀測(cè)要求。

6、實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在J-TEXT歐姆放電情況下,熱輻射信號(hào)在極向上和環(huán)向上都明顯受到鋸齒和其它MHD不穩(wěn)定性的調(diào)制。在有劇烈Mirnov振蕩的放電中,極向熱輻射探測(cè)陣列甚至可以推演出磁島(主要是m/n=2/1)所在的位置。
　　(4)目前,J-TEXT托卡馬克放電破裂事例中的71％是由撕裂模不穩(wěn)定性導(dǎo)致的,其中m/n=2/1的模式占主要地位,同時(shí)還可能伴隨有m/n=3/1等其它模式。在這類破裂放電中,熱輻射強(qiáng)度在破裂之前并沒(méi)有明顯變化,但在

7、破裂發(fā)生后卻急劇增加。這說(shuō)明熱輻射并非是這類破裂的主要觸發(fā)機(jī)制但卻是破裂時(shí)能量損失的主要通道。估算表明,在破裂的熱猝滅(TQ)階段,由輻射損失的能量可以達(dá)到等離子體總內(nèi)能的10％左右。
　　(5)在J-TEXT托卡馬克靜態(tài)擾動(dòng)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)投入擾動(dòng)場(chǎng)之后,芯部熱輻射強(qiáng)度減小而邊界熱輻射強(qiáng)度增加,這可能主要是粒子的約束變差以及溫度的變化造成的。在雜質(zhì)氣體(He氣,Ne氣,Ar氣)補(bǔ)充充氣實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)脈沖送氣并不能使輻射功率顯著增加,