EAST托卡馬克上的多普勒背向散儀.pdf

1、多普勒背向散射儀結合了傳統(tǒng)剖面微波反射儀的高時空分辨率和布拉格散射的波數(shù)分辨率的優(yōu)點，是有效的湍流測量工具而被廣泛用于磁約束核聚變實驗。本文主要就多普勒背向散射儀的搭建、數(shù)據(jù)處理、物理實驗以及相關模擬展開討論。
　　本論文首先介紹了多普勒背向散射儀的測量原理，并總結了其他聚變裝置上的多普勒背向散射儀的系統(tǒng)結構以及實驗結果。論文中還發(fā)展了可用于EAST實驗中用于計算截止層位置以及截止層處密度漲落波數(shù)的射線追蹤程序。射線追蹤程序采用剖

2、面微波反射儀測量的密度信息，再結合EAST的EFIT磁面信息，反演出EAST放電的密度剖面分布以及磁場分布，然后根據(jù)反演的密度剖面和磁場計算微波在等離子體中傳播。論文中發(fā)展了三維準高斯射線追蹤程序，用以演化在傳播過程中微波信號與磁場角度的關系。另一方面，在實驗中我們采用二維高斯射線追蹤程序來計算系統(tǒng)的徑向分辨率以及波數(shù)分辨率，并使用計算速度更快的單射線追蹤程序計算截止層位置和截止層處密度漲落的波數(shù)。射線追蹤采用WKB近似，所以在入射角度

3、較小時WKB近似不滿足，此時射線追蹤失效。為了計算多普勒頻移以及頻移幅度的大小，論文中還對比了三種不同的計算多普勒頻移的方法:權重平均法、直接高斯函數(shù)擬合法和雙高斯函數(shù)擬合功率譜非對稱部分的方法，分析三種方法的優(yōu)缺點，并根據(jù)EAST具體實驗發(fā)展出適用于EAST多普勒背向散射儀的數(shù)據(jù)處理方法。
　　論文中我們綜合考慮其他聚變裝置上多普勒背向散射儀的優(yōu)缺點，根據(jù)EAST托卡馬克的裝置參數(shù)以及實驗需求給出了EAST托卡馬克上的多普勒背向

4、散射儀的設計方案，完成微波系統(tǒng)以及光學前端的搭建。EAST多普勒背向散射儀由兩道構成:Q波段（33-50GHz）和V波段（50-75GHz），采用外差法測量，極化方式為非尋常模極化。我們選用相位噪聲低穩(wěn)定性高的頻率合成源作為微波信號源，信號源根據(jù)物理實驗的需求可以選擇步進式掃頻或定頻測量。調制頻率為20MHz的單邊帶調制器被用來調制載波信號以獲得上邊帶頻率，從而實現(xiàn)外差測量。系統(tǒng)的光學前端由兩面反射鏡組成:一面平面反射鏡和一面可以旋轉的

5、橢圓面反射鏡，將微波信號聚焦到等離子體截止層附近。為了獲得好的波數(shù)分辨率，Q波段系統(tǒng)微波信號通過光學前端聚焦后，在截止層處的束腰半徑為3cm，而V波段為2.5cm。實驗中的通過旋轉橢圓面反射鏡可以用來改變微波信號的入射角度，入射角度的范圍為土20°，可測量的波數(shù)范圍為4-22cm-1，徑向覆蓋范圍對于L?？梢愿采w整個等離子體小半徑范圍，對于高約束模運行也可以覆蓋整個臺基區(qū)。系統(tǒng)的波數(shù)分辨率好于0.3，徑向分辨率好于0.2。在實驗室中，我

6、們用一個表面有漲落結構的可旋轉的圓輪來代替實驗中等離子體密度漲落的運動，通過傾斜發(fā)射微波信號到轉輪的表面可以獲得散射回的多普勒頻移信號，驗證系統(tǒng)的可行性。
　　隨后在論文介紹了在EAST實驗的情況，多普勒背向散射儀安裝在EAST托卡馬克的O窗口，其中Q波段系統(tǒng)在窗口的上部，而V波段系統(tǒng)在窗口的下部。在實驗中我們完成了多普勒背向散射儀的頻率和波數(shù)掃描測量，實驗結果顯示，入射角度越大多普勒頻移越大，但是多普勒頻移的幅度減小;改變入射方

7、向，多普勒頻移的方向也改變，從而驗證了系統(tǒng)的有效性以及測量的正確性。實驗中還測量了低雜波加熱對極向旋轉速度的影響，發(fā)現(xiàn)低雜波加熱會使變邊界極向旋轉速度變大，從而在邊界形成一個更負的徑向電場阱;另一方面我們還觀察到極向旋轉速度會被低雜波加熱調制，隨著低雜波加熱開始極向旋轉速度增大，低雜波加熱結束，極向旋轉速度減小。在論文中，我們分別給出了L模和H模的徑向電場分布，發(fā)現(xiàn)L模和H模放電都會在邊界形成一個負的徑向電場阱，但是H模放電的徑向電場阱

8、深要更負，且阱的最低點更加靠近邊界，在邊界的徑向電場剪切更大。論文中給出了L-H和H-L模轉換過程中徑向電場的演化，發(fā)現(xiàn)在L-H轉換過程中芯部和邊界的徑向電場都會變得更負，但在等離子體邊界密度漲落幅度減小，而芯部密度漲落幅度會增大;在H-L轉換過程則相反。在EAST實驗中我們還觀察到了I-phase振蕩，實驗顯示在I-phase期間徑向電場和密度漲落同頻率振蕩，且徑向電場的變化要領先于密度漲落幅度（湍流強度）和Hα信號的變化;另一方面我

9、們還發(fā)現(xiàn)徑向電場和密度漲落呈現(xiàn)此消彼長的趨勢，也就是說在I-phase期間徑向電場調制湍流，最終調制輸運水平;論文中還利用多普勒背向散射儀測量了H-I-L和L-I-H轉換過程中徑向電場的平衡量和漲落量的演化，實驗發(fā)現(xiàn)徑向電場的漲落對I-phase其維持作用，當徑向電場的漲落量增大到一定程度后平衡量開始增加，放電狀態(tài)從I-phase進入H模;而當徑向電場的漲落減小到一定程度時，放電狀態(tài)從I-phase回到L模。
　　論文中還分析了湍

10、流在邊界局域模緩解和抑制中的作用。超聲分子束注入抑制和緩解邊界局域模實驗中，在邊界局域模被緩解期間我們觀察到了間歇性的小尺度湍流（f～600kHz），正是其增大輸運，控制邊界局域模，使其得到緩解。在低雜波調制加熱抑制邊界局域模實驗中，我們同樣在邊界局域模被緩解期間觀察到間歇性小尺度湍流的，與此同時我們還觀察到另一種更高頻率的湍流（頻率在4MHz左右）間歇性出現(xiàn)，在邊界局域模被緩解期間，這種高頻湍流與小尺度湍流呈現(xiàn)此消彼長的趨勢;而在邊界

11、局域模被完全抑制期間，這種高頻湍流連續(xù)出現(xiàn)，但是這種高頻湍流是如何產(chǎn)生的，究竟屬于一種什么模式，仍需要進一步的研究和探索。
　　論文最后我們利用時域有限差分方法完成了多普勒背向散射的二維全波模擬，驗證了微波反射與散射測量的局域性;模擬中顯示當密度漲落幅度較低時，多普勒頻移的幅度與密度漲落幅度成正比。論文中還比較了背向散射和前向散射的區(qū)別，結果顯示背向散射的多普勒頻移大小與密度漲落幅度無關，僅有密度漲落的垂直運動速度和入射角度（入射