J-TEXT托卡馬克彎晶譜儀系統(tǒng)研制和等離子體本征轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、托卡馬克，作為一種磁約束可控核聚變裝置，等離子體需要滿足聚變?nèi)胤e才能實(shí)現(xiàn)自持燃燒，為人類所利用。由于托卡馬克自身存在多種宏觀磁流體不穩(wěn)定性或者微觀湍流不穩(wěn)定性，極大地限制了等離子體的約束性能，甚至可能誘發(fā)等離子體大破裂危害裝置安全。在等離子體發(fā)展從低約束L模放電到高約束H模轉(zhuǎn)變時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)等離子體轉(zhuǎn)動(dòng)及其剪切可以有效地抑制這些宏觀和微觀不穩(wěn)定性的發(fā)展，維持內(nèi)部輸運(yùn)壘，改善約束性能。轉(zhuǎn)動(dòng)速度的這種特性激發(fā)了對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)監(jiān)測手段以及輸運(yùn)特性的研

2、究。
　　在目前托卡馬克裝置上，轉(zhuǎn)動(dòng)速度主要來自于外部切向中性束注入所提供的動(dòng)量輸入。中性束與帶電粒子碰撞發(fā)生電荷交換形成高能離子，通過庫倫碰撞將動(dòng)量傳給等離子體。然而對(duì)于ITER裝置，由于要驅(qū)動(dòng)大體積高密度的等離子體中性束注入效率甚低，其能達(dá)到的功率有限而不能滿足ITER的需求。我們只能依靠沒有任何外部動(dòng)量輸入時(shí)的等離子體本征轉(zhuǎn)動(dòng)速度，無論是在純歐姆加熱還是在有波輔助加熱時(shí)，實(shí)驗(yàn)上都發(fā)現(xiàn)等離子體能自發(fā)地旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)的輸運(yùn)同粒子和熱

3、輸運(yùn)一樣，是反常的，本征轉(zhuǎn)動(dòng)的大小、方向及其輸運(yùn)特性與多種等離子體參數(shù)都存在密切的聯(lián)系。經(jīng)過十多年的研究，實(shí)驗(yàn)和理論上對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的認(rèn)識(shí)依然未達(dá)成共識(shí)，即使是最根本的歐姆等離子體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。本文利用J-TEXT托卡馬克較簡單的等離子體來研究本征轉(zhuǎn)動(dòng)。
　　為了研究本征轉(zhuǎn)動(dòng)速度，在J-TEXT裝置上研發(fā)一套切向彎晶譜儀系統(tǒng)來測量芯部環(huán)向轉(zhuǎn)動(dòng)速度。通過主動(dòng)注入微量氬氣的方式，彎晶譜儀測量被動(dòng)類氦氬離子的光譜，有利于本征轉(zhuǎn)動(dòng)的研究。球面彎

4、晶的二維聚焦特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)等離子體的空間分辨測量。在J-TEXT歐姆等離子體下的測量由于光通量低的特性，以及實(shí)驗(yàn)高時(shí)間分辨的需求，彎晶譜儀采用一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)和折中考慮，獲得最高時(shí)間分辨為2ms的測量結(jié)果。彎晶譜儀系統(tǒng)測量的空間分辨和時(shí)間分辨的電子溫度和離子溫度對(duì)電子密度的關(guān)系，不僅顯示了彎晶譜儀的高測量精度和測量準(zhǔn)確度。
　　基于成熟的轉(zhuǎn)動(dòng)理論，創(chuàng)新地對(duì)彎晶譜儀測量轉(zhuǎn)動(dòng)速度的方向和大小依次進(jìn)行標(biāo)定，然后結(jié)合邊界可見光光柵光譜儀測量

5、邊界環(huán)向轉(zhuǎn)動(dòng)，首次給出J-TEXT歐姆等離子體本征轉(zhuǎn)動(dòng)速度剖面。基于此，研究外加螺旋場作用下等離子體轉(zhuǎn)動(dòng)的輸運(yùn)特性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，螺旋場的共振分量起主要作用，螺旋場穿透鎖模發(fā)生在q=2有理面，穿透之后由于模式耦合產(chǎn)生的電磁力使邊界和中心的轉(zhuǎn)動(dòng)速度幾乎同時(shí)朝電流方向加速，并在能量約束時(shí)間尺度10ms達(dá)到新的平衡，轉(zhuǎn)動(dòng)輸運(yùn)速率遠(yuǎn)大于反常輸運(yùn)。模式2/1和1/1之間的耦合作用在速度剖面演化中起到關(guān)鍵作用，另外與其它裝置上的結(jié)果不同的是穿透鎖模后轉(zhuǎn)