基于電子回旋輻射成像診斷的磁流體不穩(wěn)定性實驗研究.pdf

1、在托卡馬克等離子體物理中，高約束模是人們認為最有可能實現(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)換機制、轉(zhuǎn)換閾值等問題至今沒有答案，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非常重要的課題。理解高溫等離子體物理機制，首先要做的就是探測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)是一種先進的二維成像診斷，具有很高的時間分辨和空間分辨，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、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）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。本文在第二章中簡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)，同時也詳細介紹了在電子回旋輻射成像診斷搭建過程中的工作細節(jié)和注意事項。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)計與搭建，最后展示了鋸齒先兆模的三維螺旋對稱性結(jié)構(gòu)實驗證據(jù)。
　　本文在第三章中重點討論了電子回旋輻射成像對混合鋸齒、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、完全破裂等四個階段。電子回旋輻射成像診斷觀測到了混合鋸齒四個階段的詳細演化過程，尤其是對部分破裂和完全破裂兩個過程。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、測區(qū)域的優(yōu)勢，通過求得q=1面以內(nèi)所有像素點的溫度漲落總和，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間定義:在一個鋸齒周期內(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間差。利用這種方法，對鋸齒崩塌時間、鋸齒周期、鋸齒崩塌過程中能量損失等鋸齒特征進行了大量統(tǒng)計。在統(tǒng)計過程中，發(fā)現(xiàn)了幾種異常的鋸齒崩塌過程，為理論研究鋸齒崩塌行為提供了新的實驗素材。
　　對等離

5、子體破裂的研究過程中，電子回旋輻射成像診斷觀測到了完整的破裂過程，尤其是破裂前的2/1模結(jié)構(gòu)、頻率等特征的時間演化過程。電子回旋輻射成像診斷對2/1模結(jié)構(gòu)演化、磁島寬度變化的觀測，補充了等離子體破裂前2/1模的實驗結(jié)果。同時，本文還發(fā)現(xiàn)2/1模的出現(xiàn)，對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模可能造成離子溫度的下降。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，進而對等

6、離子體破裂的預(yù)測提供新的線索。除此之外，電子回旋輻射成像診斷還清楚地觀測到了垂直不穩(wěn)定性中等離子體中心的移動過程，給出了等離子體中心的運動軌跡。
　　托卡馬克高約束模臺基區(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單介紹了邊界相干模的分類及其理論，隨后重點分析了電子回旋輻射計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)用受到非光學厚的制

7、約，對診斷信號的解釋比較復(fù)雜;但是，一般認為此時的電子回旋輻射強度不在單純是當?shù)仉娮訙囟鹊暮瘮?shù)，而是同時包含當?shù)仉娮訙囟群碗娮用芏刃畔?，即電子回旋輻射成像診斷給出的是輻射溫度（非電子溫度）的相對漲落。在2014年EAST實驗中，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到一種準相干模，并對該模式的特征進行詳細的分析和討論。實驗發(fā)現(xiàn)，這種相干模只出現(xiàn)在高約束模的臺基區(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。通過電子回旋輻射成像診斷的動畫觀測，該相干模在實驗室坐標系下沿電子逆磁方向旋轉(zhuǎn)。在無邊界局域模高約束模期間，相干模頻率從45kHz下降到15kHz左右，同時相干模幅度增大、波長增大（即極向模數(shù)減?。⑶以撃Ｊ皆趯嶒炇易鴺讼碌南嗨俣纫苍跍p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邊界局域模高約束模期問的相干模一樣，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的互相關(guān)系數(shù)，以此判斷兩種邊界局域模破裂過程中的能量損失;同時，利用成像的方法，對兩種破裂過程的二維結(jié)構(gòu)演化進行了詳細的觀測。
　　最后，本文在第五章中對以上工作做了簡單總結(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。對于尚待挖掘的ECEI數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)與