J-TEXT托卡马克上偏压电极驱动等离子体转动的特性研究

摘要

托卡马克等离子体转动在抑制微观湍流和宏观磁流体不稳定性、改善等离子体约束等方面扮演着重要角色，目前转动相关物理研究已取得诸多成果，但是仍然存在很多难题，如本征转动的驱动机制、动量输运的物理过程、转动对宏观磁流体（MHD）不稳定性作用的机理等，等离子体转动的研究仍然具有积极意义。本文依托于J-TEXT托卡马克装置，建立了一套适用于测量J-TEXT边界离子温度的减速场分析仪（RFA），并优化了调制转动的工具——偏压电极（EB）系统，完成了以下实验内容：
　　首先，利用RFA测量了J-TEXT刮削层离子温度Ti的分布，发现Ti约是静电探针测量的电子温度Te的1.2~2.3倍。比较不同放电位型下的离子温度分布发现，Ti分布的衰减长度λT与磁连接长度Lc之间近似满足关系：(此处为公式略过)，而且离子温度分布具有极向不对称性，低场侧中平面的分布比顶部平坦，可能是由中平面较强的横越磁力线输运引起的。结合RFA和静电探针对偏压电极动量源区的环向角动量平衡进行分析，得到环向动量阻尼系数约为μφ=103~104s-1，并通过实验证明了局部环向动量陷主要是由中性粒子阻尼贡献的。另外，拓展了RFA的应用，实现了电子和离子温度的同步测量，并对单探针理论进行修正，验证了单探针理论中冷离子和薄鞘层近似的合理性。
　　其次，基于微扰分析法对J-TEXT等离子体环向动量输运进行研究。相比之前的J-TEXT动量输运研究，本文完善了环向转动的测量，优化了偏压电极的电压波形。根据偏压电极调制等离子体环向转动的相位延迟确定了动量输运时间尺度约为10ms量级，并计算了r/a=0~0.82范围内环向动量扩散系数χφ和对流速度Vconv：χφ随半径增大，范围为0~25m2/s，而-Vconv随半径先增大后减，范围为0~30m/s，该结果表明动量输运系数远大于新经典预测值（~0.01m2/s），且对流项始终指向等离子体中心，表现出动量箍缩效应。利用动量输运系数，一方面计算了动量扩散项和对流项，对比发现由于动量梯度比动量大小高出1个量级，导致动量扩散项比对流项高1个量级；另一方面，根据环向动量平衡方程导出环向转动的递推公式，并利用输运系数较好的重现了环向转动分布。本文还对动量扩散和对流对转动调制的影响进行分析，发现转动调制的幅度主要受到对流项的影响，而调制的相位差则主要受到动量扩散影响。
　　最后，重点分析了偏压电极对2/1撕裂模的影响，并尝试利用负偏压解锁撕裂模锁模。实验结果显示，正/负偏压能够驱动等离子体同/反电流方向环向转动，减小/提高撕裂模频率，增大/减小极向磁扰动幅度，对撕裂模起到解稳/致稳作用，而且等离子体转动的改变、撕裂模频率和极向磁扰动的变化与偏压（电流）大小成正相关，并存在完全抑制撕裂模和导致撕裂模锁模的偏压阈值，偏压阈值还与放电参数等因素有关。利用负偏压虽然没有实现撕裂模锁模解锁，但是实验中负偏压成功的抑制撕裂模，避免了锁模的发生。该研究充分说明负偏压能够有效的驱动等离子体转动，抑制撕裂模，这为避免撕裂模锁模和放电破裂提供一条可行的途径。

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 等离子体转动的研究意义

1.3 论文研究内容

2 托卡马克等离子体转动的研究现状

2.1 本征转动

2.2 动量输运

2.3 动量源

2.4 动量陷

2.5 等离子体转动对宏观MHD不稳定性的作用

2.6 本章小结

3 实验诊断及相关系统

3.1 J-TEXT装置

3.2 偏压电极系统

3.3 静电探针系统

3.4 减速场分析仪

3.5 等离子体转动测量系统

3.6 本章小结

4 边界离子温度和局部动量阻尼的实验研究

4.1 实验安排

4.2 刮削层离子温度分布研究

4.3 局部环向动量阻尼的分析

4.4 改进的减速场分析仪测量结果

4.5 本章小结

5 基于偏压电极调制的动量输运研究

5.1 实验安排

5.2 微扰分析法获取动量输运系数

5.3 动量输运系数应用

5.4 本章小结

6 偏压电极对2/1撕裂模作用研究

6.1 实验安排

6.2 偏压电极对2/1撕裂模的影响

6.3 偏压电极锁模解锁初步实验结果

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表的论文目录