EAST托卡马克边界离子温度和旋转速度的实验研究

摘要

对于核聚变等离子体物理实验而言，离子温度和旋转速度是十分重要的物理量，它们对于理解等离子体平衡、低约束模向高约束模的跃迁以及台基结构的不稳定性也是非常重要的。
　　电荷复合交换光谱是测量等离子体离子温度和旋转速度中常用的手段，而且目前边界区域的离子温度和旋转速度也只有电荷复合交换光谱可以给出，目前已经在许多大型装置上成功应用，它的诊断原理是通过高能的中性束粒子同完全剥离电子的杂质离子发生电荷交换后，杂质离子由激发态跃迁到较低能级所发出的带有杂质离子的光子信息来进行诊断，光子信息中的多普勒频移和多普勒展宽分别可以提供离子旋转速度和离子温度信息。
　　本文随后对EAST上的CXRS系统进行了简单的介绍，包括布局、时空分辨率以及保护措施的介绍。并着重对EAST上边界CXRS系统，即eCXRS系统进行了详细的介绍，包括整套系统的三大标定:波长标定、空间标定以及强度标定，并对整套系统相对灵敏度以及之前使用的滤光片透过率曲线进行了计算。
　　最后通过电荷复合交换光谱给出的边界离子温度和旋转速度信息对EAST托卡马克上的物理现象进行了分析，分别得出以下结论:
　　1)对EAST高约束模放电中的边界离子温度和旋转速度输运垒进行了观测，并发现同新经典理论中离子温度台基宽度大于旋转速度台基宽度的预测不符，出现了同KSTAR相同的结果:离子温度台基宽度小于旋转速度台基宽度，目前猜测结果为环向旋转速度梯度驱使的平行流剪切不稳定性对台基区域的稳定性会造成很大的影响，进而影响了台基宽度的结果。
　　2)对实验中H模的炮号及其边界环向旋转进行了统计工作，从统计的数据来看，目前可以得出这样的结论:等离子体边界旋转同L-H转换阈值功率的有着依赖关系，有着同其他装置一样有着类似的结果，在边界等离子体环向旋转越低的情况，L-H转换阈值功率就会越低。并且对于特殊放电:如RMP、SMBI注入下的离子温度和旋转速度也进行了分析工作并得出相应结论。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 能源问题

1．2 核能

1．2．1 核裂变

1．2．2 核聚变

1．3 劳森判据

1．4 目前两种可控的核聚变实现方案

1．5 托卡马克

1．6 H模及边界局域模

1．7 电荷复合交换光谱

1．8 本论文结构介绍

第二章 EAST上边界CXRS系统介绍以及相应标定工作

2．1 CXRS诊断原理

2．1．1 离子温度

2．1．2 旋转速度

2．2 EAST上CXRS系统

2．2．1 简介

2．2．2 空间时间分辨率

2．2．3 系统位于马克内保护措施介绍

2．3 边界电荷复合交换光谱诊断系统

2．3．1 eCXRS系统整体介绍

2．3．2 eCXRS系统波长标定

2．3．3 eCXRS系统空间标定

2．3．4 eCXRS系统强度标定

2．3．5 eCXRS整套系统相对灵敏度

2．3．6 eCXRS系统滤光片透过率

2．4 章末小结

第三章 实验数据的分析

3．1 plume效应

3．1．1 主动谱线以及被动谱线

3．1．2 束晕粒子以及羽化粒子

3．1．3 羽化粒子的理论模型

3．1．4 关于利用一维连续性方程求nz-1z

3．1．5 EAST上实验手段测量羽化效应以及初步模拟结果

3．2 仪器函数的扣除

3．2．1 仪器函数的卷积以及反卷积简介

3．2．2 反卷积算法的选取

3．2．3 贝叶斯反卷积仿真模拟

3．2．4 贝叶斯反卷积实验验证

3．3 杂质干扰线的判断与确认

3．3．1 eCXRS上的杂质干扰

3．3．2 eCXRS上的杂质谱线的识别

3．4 章末小结

第四章 EAST边界离子温度和旋转速度的物理研究

4．1 边界离子温度和旋转速度输运垒的观测

4．1．1 背景介绍

4．1．2 EAST上台基区离子温度和旋转速度剖面

4．1．3 环向旋转与储能关系的定标以及H模下环向旋转模型

4．2 L-H转换阈值功率的研究

4．2．1 L-H转换的几种物理理解

4．2．2 H模阈值功率

4．3 等离子体环向旋转对L-H转换阂值功率的影响

4．3．1 DⅢ-D上研究结果

4．3．2 EAST上研究结果

4．4 共振磁扰动(RMP)对边界环向旋转的影响

4．4．1 EAST上的RMP线圈简单介绍

4．4．2 DⅢ-D上等离子体边界参数对RMP线圈的响应

4．4．3 EAST上等离子体边界旋转对RMP线圈的响应

4．5 SMBI对边界环向旋转的影响

4．5．1 SMBI触发L-H转换简介

4．5．2 EAST上SMBI触发L-H转换实验及SMBI对边界环向旋转影响

4．6 章末小结

第五章 总结与展望

5．1 论文总结

5．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文