导　　师： 虞清泉;庄革

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 华中科技大学

摘　　要： 为实现经济而持续的核聚变反应,需要提高等离子体密度和温度,并对能量和粒子约束足够的时间,这一目标的实现建立在对基本输运过程深入理解的基础上,因此等离子体输运一直是磁约束聚变的一个主要研究方向。目前世界上几乎所有的托卡马克装置都开展了输运方面的研究,并取得了丰硕的成果,但是距离理解输运的物理机制还有一定的距离。因此,研究粒子输运是一项重要性和挑战性十足的工作。研究粒子输运的方法有很多,其中最直接的是测量粒子输运系数。实验上测量粒子输运系数最常用的手段是对等离子体密度进行周期性调制。通过密度调制实验研究粒子输运,需要1)拥有足够测量精度、测量道数的密度诊断；2)得到等离子体密度随时间的剖面演化关系;3)可控的加料手段,实现满足要求的密度扰动；4)建立一套密度调制实验的数据分析方法,实现测量粒子输运系数的目的。高精度的密度测量系统是粒子输运研究的前提,而现有的J-TEXT干涉仪并不满足粒子输运研究的要求。为此,对干涉仪进行如下升级：1)大幅提升激光器的输出特性,实现了输出功率提升2.4倍,功率稳定性时间提升2.3倍的跃变。2)通过升级光路布局和机械结构,优化探头,将密度信号中振动分量由50%以上抑制到信号噪声水平,同时大幅提升中频信号信噪比。最终建成了等离子体密度测量精度为1017m-3量级,时间分辨率为0.1ms,空间分辨率为50mm,测量道数为7道的非对称分布的远红外(FIR)氰化氢(HCN)干涉仪。其次,发展了成功率达97%的密度翻转算法,设计了基于快速傅里叶变换的软件相位差计,相比硬件相位差计,进一步提高了密度信号的信噪比。在高精度密度测量数据的基础上,编写了一套采用了基于三次样条函数的Abel反演算法,得到等离子体电子密度剖面的时空演化。接着,基于粒子输运方程发展了三套不同的粒子输运系数算法,并验证他们可行性与正确性。通过初步开展密度调制实验,对可能影响密度调制实验和输运系数的参量(送气波形、调制频率和调制幅度)进行了系统的研究,分析了它们对输运的影响,最终确定了符合J-TEXT粒子输运研究的实验方案。最后,对比了两种密度调制手段——超声分子束注入和普通送气,总结出了J-TEXT典型参数下的输运系数。1)通过螺旋场产生的密度泵出,确定了密度峰化影响粒子约束的机制为扩散系数减小一半以上,对流速度增大一倍以上,粒子约束时间增加50%。2)研究了密度极限破裂下的粒子输运行为,发现了破裂前扩散系数不断减小,对流速度基本不变,总体增强径向向内的粒子流,使等离子密度剖面不断峰化。破裂时对流速度显著增强(-25%),与等离子体电流箍缩效应一致。3)给出了J-TEXT上输运系数与等离子体参数的定标关系,如扩散系数D与密度的对数具有很好的线性关系。为粒子输运更为深入的研究奠定了坚实的基础。

关 键 词： 托卡马克 粒子输运 氰化氢干涉仪 偏振干涉仪 密度调制实验

分 类 号： [TL631.24]

领　　域： [核科学技术]