J-TEXT托卡马克等离子体转动对共振磁扰动的响应以及氩杂质输运的实验研究

摘要

在托卡马克等离子体当中，等离子体的环向转动对等离子体的约束以及H模的形成有着积极的作用。等离子体转动及其剪切可以抑制多种宏观不稳定性和微观不稳定性，包括新经典撕裂模和电阻壁模等，对等离子体稳态运行有着重要的作用。因此对转动的物理过程的了解，以及在此基础上实现转动及其剖面的控制和优化已经成为了一个广泛关注的问题。 本文以J-TEXT托卡马克为实验基础平台开展了转动的相关研究。为了深入环向转动的研究，J-TEXT上将原来的切向弯晶谱仪测量系统进行了升级。由于弯晶谱仪在芯部转动测量上有着很高的时间分辨率和空间分辨率，通过多普勒频移来测量芯部等离子体环向转动。因此消除机械振动的影响是提高转动测量的关键。在J-TEXT平台上，弯晶谱仪腔体支撑改为光学减振平台，并且平台各支撑下面配置有橡胶减振垫。可以有效消除放电过程中所带来的低频振动。且将球面晶体腔室与探测器腔室固定在光学平台上，有效消除了晶体与探测器各自振动所带来的误差。 在J-TEXT托卡马克上，等离子体环向转动对外加m/n=2/1共振磁扰动的响应已经有了系统的研究。J-TEXT托卡马克目前是是限制器位型欧姆加热等离子体。对于没有外加共振磁扰动的等离子体，等离子体芯部环向转动初始方向是反电流方向的，边界环向转动是接近于零，甚至可能是同电流方向的。在J-TEXT上，静态磁扰动与转动磁扰动对环向转动的影响均展开了相关的研究。静态扰动场可以导致锁模或者诱发场穿透。在这种情况下，等离子体芯部转动会被减小到0km/s的水平，而边界转动会被加速，甚至可以加速到同电流方向上的20km/s。在另一方面，当外加转动磁扰动时，芯部等离子体转动可以被调制。当转动磁扰动的频率高于模频率时，芯部等离子体转动会被加速到相同的频率水平；而当转动扰动场的频率低于模频率时，芯部等离子体转动则会被减速到相同的频率水平。此时等离子体芯部转动的方向均与电流相反的方向。当转动被调制后，等离子体的约束性能也会被转动扰动场所调制。 由于弯晶谱仪通过测量氩杂质离子的多普勒效应来测量环向转动速度，因此弯晶谱仪同时可以开展氩相关的输运研究。实验上发现，氩杂质辐射剖面可以被共振磁扰动所调制，这表明共振磁扰动影响氩杂质输运是非常明显的。当外加2/1静态磁扰动触发锁模后，Ar XVII的密度剖面的强度会急剧下降，这表明在共振磁扰动触发锁模后，氩杂质的输运是加强的。

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