基于電子回旋輻射成像診斷的磁流體不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、在托卡馬克等離子體物理中，高約束模是人們認(rèn)為最有可能實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)的約束模式。但是，低約束模向高約束模的轉(zhuǎn)換機(jī)制、轉(zhuǎn)換閾值等問(wèn)題至今沒(méi)有答案，多種多樣的磁流體不穩(wěn)定性（包括鋸齒不穩(wěn)定性、撕裂模、交換模、氣球模等）更是加深了高約束模等離子體物理的復(fù)雜性。所以，研究高約束模等離子體物理是一個(gè)非常重要的課題。理解高溫等離子體物理機(jī)制，首先要做的就是探測(cè)等離子體中電子溫度、離子溫度、密度、電流、旋轉(zhuǎn)速度等放電參數(shù)，以及各種磁流體不穩(wěn)定性的現(xiàn)象特征

2、。
　　電子回旋輻射成像系統(tǒng)是一種先進(jìn)的二維成像診斷，具有很高的時(shí)間分辨和空間分辨，并且可以覆蓋托卡馬克小截面上的較大范圍。電子回旋輻射成像診斷可以提供真實(shí)、局域的電子溫度漲落圖像，與傳統(tǒng)的一維診斷（如電子回旋輻射計(jì)）和二維診斷（如軟X射線層析反演成像診斷）相比具有更多的優(yōu)勢(shì)。本文在第二章中簡(jiǎn)單介紹了電子回旋輻射成像的基本原理以及其硬件系統(tǒng)，同時(shí)也詳細(xì)介紹了在電子回旋輻射成像診斷搭建過(guò)程中的工作細(xì)節(jié)和注意事項(xiàng)。本章也討論了J-TE

3、XT裝置上三維電子回旋輻射成像診斷的設(shè)計(jì)與搭建，最后展示了鋸齒先兆模的三維螺旋對(duì)稱性結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
　　本文在第三章中重點(diǎn)討論了電子回旋輻射成像對(duì)混合鋸齒、m/n=2/1模結(jié)構(gòu)、等離子體破裂等物理現(xiàn)象。與普通鋸齒周期相比，混合鋸齒包含爬升期、部分破裂、再爬升期、完全破裂等四個(gè)階段。電子回旋輻射成像診斷觀測(cè)到了混合鋸齒四個(gè)階段的詳細(xì)演化過(guò)程，尤其是對(duì)部分破裂和完全破裂兩個(gè)過(guò)程。筆者充分利用了EAST裝置上電子回旋輻射成像診斷大范圍觀

4、測(cè)區(qū)域的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)求得q=1面以內(nèi)所有像素點(diǎn)的溫度漲落總和，得到了混合鋸齒中部分破裂和完全破裂過(guò)程中能量傳出q=1面的比例。利用這種方法，提出了新的鋸齒崩塌時(shí)間定義:在一個(gè)鋸齒周期內(nèi)，芯部（q=1面以內(nèi)）電子溫度漲落總和最大值與最小值之間的時(shí)間差。利用這種方法，對(duì)鋸齒崩塌時(shí)間、鋸齒周期、鋸齒崩塌過(guò)程中能量損失等鋸齒特征進(jìn)行了大量統(tǒng)計(jì)。在統(tǒng)計(jì)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了幾種異常的鋸齒崩塌過(guò)程，為理論研究鋸齒崩塌行為提供了新的實(shí)驗(yàn)素材。
　　對(duì)等離

5、子體破裂的研究過(guò)程中，電子回旋輻射成像診斷觀測(cè)到了完整的破裂過(guò)程，尤其是破裂前的2/1模結(jié)構(gòu)、頻率等特征的時(shí)間演化過(guò)程。電子回旋輻射成像診斷對(duì)2/1模結(jié)構(gòu)演化、磁島寬度變化的觀測(cè)，補(bǔ)充了等離子體破裂前2/1模的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)，本文還發(fā)現(xiàn)2/1模的出現(xiàn)，對(duì)芯部電子溫度剖面和電流剖面的平坦化有一定影響，也與芯部雜質(zhì)輻射能量的減小相關(guān);中子輻射通量的減小表明2/1?？赡茉斐呻x子溫度的下降。這些現(xiàn)象也許都可以作為2/1模出現(xiàn)的預(yù)兆現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)等

6、離子體破裂的預(yù)測(cè)提供新的線索。除此之外，電子回旋輻射成像診斷還清楚地觀測(cè)到了垂直不穩(wěn)定性中等離子體中心的移動(dòng)過(guò)程，給出了等離子體中心的運(yùn)動(dòng)軌跡。
　　托卡馬克高約束模臺(tái)基區(qū)物理現(xiàn)象非常復(fù)雜且難以理解，尤其是邊界局域模，不僅種類繁多，而且伴隨著各種各樣的磁流體不穩(wěn)定性。本文在第四章中首先簡(jiǎn)單介紹了邊界相干模的分類及其理論，隨后重點(diǎn)分析了電子回旋輻射計(jì)在等離子體邊界的應(yīng)用。雖然，電子回旋輻射成像診斷在等離子體邊界的應(yīng)用受到非光學(xué)厚的制

7、約，對(duì)診斷信號(hào)的解釋比較復(fù)雜;但是，一般認(rèn)為此時(shí)的電子回旋輻射強(qiáng)度不在單純是當(dāng)?shù)仉娮訙囟鹊暮瘮?shù)，而是同時(shí)包含當(dāng)?shù)仉娮訙囟群碗娮用芏刃畔ⅲ措娮踊匦椛涑上裨\斷給出的是輻射溫度（非電子溫度）的相對(duì)漲落。在2014年EAST實(shí)驗(yàn)中，電子回旋輻射成像診斷在同電流方向中性束注入加熱下觀測(cè)到一種準(zhǔn)相干模，并對(duì)該模式的特征進(jìn)行詳細(xì)的分析和討論。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種相干模只出現(xiàn)在高約束模的臺(tái)基區(qū)（最后閉合磁面以內(nèi)），模結(jié)構(gòu)是典型的類氣球模結(jié)構(gòu)，且磁島寬度只

8、有4cm左右。通過(guò)電子回旋輻射成像診斷的動(dòng)畫觀測(cè)，該相干模在實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系下沿電子逆磁方向旋轉(zhuǎn)。在無(wú)邊界局域模高約束模期間，相干模頻率從45kHz下降到15kHz左右，同時(shí)相干模幅度增大、波長(zhǎng)增大（即極向模數(shù)減?。⑶以撃Ｊ皆趯?shí)驗(yàn)室坐標(biāo)下的相速度也在減小。在有邊界局域模高約束模期間，邊界局域模破裂間隙也存在類似的相干模，由于其結(jié)構(gòu)、頻率、旋轉(zhuǎn)、局域性等模式特征都與無(wú)邊界局域模高約束模期問(wèn)的相干模一樣，所以二者應(yīng)屬于同一種物理模式。本文根

9、據(jù)偏濾器D∝信號(hào)定義了“小邊界局域模破裂”和“大邊界局域模破裂”，并利用互相關(guān)的方法給出最后閉合磁面內(nèi)外兩道電子回旋輻射成像診斷信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)，以此判斷兩種邊界局域模破裂過(guò)程中的能量損失;同時(shí)，利用成像的方法，對(duì)兩種破裂過(guò)程的二維結(jié)構(gòu)演化進(jìn)行了詳細(xì)的觀測(cè)。
　　最后，本文在第五章中對(duì)以上工作做了簡(jiǎn)單總結(jié)。前景展望部分討論了EAST裝置上電子回旋輻射成像診斷的不足之處，并且給出了潛在的改善方案。對(duì)于尚待挖掘的ECEI數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)與