穩(wěn)態(tài)磁約束環(huán)等離子體輸運(yùn)相關(guān)問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、本論文主要研究了穩(wěn)態(tài)磁約束等離子體環(huán)中一種重要的粒子和能量的輸運(yùn)結(jié)構(gòu)blob和等離子體在空間上的大尺度極向旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象等。 實(shí)驗(yàn)工作是在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)KT-5D雙功能環(huán)上進(jìn)行的。作者在成功地研制建立57針的二維小截面高空間分辨(2cm×2cm)探針陣列系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，首次使用該陣列獲得了blob從生成到消失的小截面二維圖象：表明了blob產(chǎn)生于等離子體中心區(qū)域的密度峰，并且沿著徑向傳播，導(dǎo)致粒子和能量的輸運(yùn)；Blob的演化時(shí)間尺度在

2、100μs量級(jí)，空間尺度在cm量級(jí)，橫向速度約為103m/s。 作者又實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光相機(jī)的高速采集圖像。以每秒1789幀、曝光80微秒的條件拍攝到了等離子體中blob的時(shí)間積分圖象，為上述探針得到的基本結(jié)果，提供了直觀的可見(jiàn)光圖像佐證。 作者還使用這套二維探針陣列，首次探測(cè)到小截面上的等離子體大尺度極向旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。極向旋轉(zhuǎn)主要發(fā)生在低場(chǎng)側(cè)，旋轉(zhuǎn)的速度在103fnls量級(jí)，空間尺度超過(guò)了厘米量級(jí)。 論文中對(duì)形成blob

3、的密度結(jié)構(gòu)與E×B流之間關(guān)系進(jìn)行了分析，支持了E×B流對(duì)密度流的剪切可以在等離子體中形成blob的觀點(diǎn)，這種剪切引起高場(chǎng)側(cè)和低場(chǎng)側(cè)的對(duì)流，導(dǎo)致了與blob相關(guān)的粒子和能量的徑向輸運(yùn)損失。結(jié)果表明blob可能是徑向粒子損失的主導(dǎo)機(jī)制。 論文應(yīng)用小波分析方法，表明blob在時(shí)域上具有一定的間隙陣發(fā)特性，而大尺度極向旋轉(zhuǎn)具有周期性。這種周期性，為穩(wěn)態(tài)裝置離子飽和流以及懸浮電位的自功率譜中普遍存在的kHz量級(jí)的峰，提供了一種可能的解釋。

4、 此外，論文還表明這種大尺度旋轉(zhuǎn)引起的電流，可能導(dǎo)致一種抵消垂直方向電荷分離的作用，這種分離來(lái)源于穩(wěn)態(tài)環(huán)位形造成的異號(hào)電荷的反向漂移。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減弱了相應(yīng)漂移的垂直電場(chǎng)，從而使粒子約束改善。 適當(dāng)?shù)拇怪眻?chǎng)也具有明顯改善等離子體粒子約束的作用。這是因?yàn)榇怪眻?chǎng)決定了Helimak位形的磁場(chǎng)剪切，從而決定了粒子的橫向運(yùn)動(dòng)損失與順磁力線運(yùn)動(dòng)損失之間的相對(duì)大小。實(shí)驗(yàn)表明，要想得到最高的等離子體密度和溫度，并不是垂直場(chǎng)越大越好，對(duì)于一

5、個(gè)確定的穩(wěn)態(tài)環(huán)裝置，獲得最佳約束的垂直場(chǎng)與縱場(chǎng)之相對(duì)大小，與裝置的大小半徑尺度有關(guān)，存在著一個(gè)最優(yōu)的比值。 論文還通過(guò)對(duì)探針信號(hào)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，討論了blob、大尺度極向旋轉(zhuǎn)與垂直場(chǎng)帶來(lái)的磁剪切的關(guān)系。分析表明磁剪切會(huì)減弱大尺度極向旋轉(zhuǎn)。適當(dāng)改變垂直場(chǎng)以變化磁剪切，可以有效地抑制blob引起的輸運(yùn)。 論文還介紹了作者在其他各項(xiàng)硬件方面的新工作，包括：穩(wěn)態(tài)縱場(chǎng)的電源系統(tǒng)的優(yōu)化改造；穩(wěn)態(tài)放電時(shí)序控制系統(tǒng)的建立；垂直微波注入系統(tǒng)