Stark展宽用于计算EAST偏滤器脱靶等离子体电子密度的研究

摘要

为了确保未来聚变装置上的偏滤器部件具有足够的使用寿命以及控制杂质源，未来的聚变装置需要工作在偏滤器脱靶或半脱靶运行模式。近年来，低杂波诱导的电流丝通过改变边界磁拓扑结构，导致到达偏滤器靶板粒子流和热流出现分裂，这对于缓解主打击点区域的热流沉积与靶板刻蚀具有重要作用，有利于长脉冲放电运行。对低杂波诱导的粒子流与热流分裂的深入理解是实现稳定控制长脉冲偏滤器脱靶的前提条件。偏滤器脱靶后，高等离子体密度区域逐渐远离靶板表面，镶嵌在偏滤器靶板内部的探针无法提供等离子体温度密度等有效信息。有效获取脱靶等离子体参数分布及其时间演化对于理解脱靶过程的物理机制，修正现有理论模型具有重要意义。等离子体发射光谱谱线的斯塔克展宽与频移分析是诊断等离子体的一个重要技术手段，特别是在测量等离子体电子密度方面。
　　本论文对EAST钨偏滤器脱靶等离子体的发射光谱进行了分析，在扣除仪器展宽和多普勒展宽后得到氘巴尔末线(Dε)的斯塔克展宽，利用准静态模型计算得到了偏滤器空间中脱靶等离子体的电子密度分布和演化特征。发现低杂波加热条件下偏滤器脱靶等离子体中出现两条分离的密度带。随着主等离子体密度的继续上升，两条密度带的密度出现不同演化趋势，靠近主打击点附近的出现先上升后下降的特征，而远离主打击点的第二条密度带在观察的范围内比主打击附近的密度高约2倍，且持续上升。斯塔克展宽计算得到的两条密度带与靶板表面探针计算得到两条密度带进行了对比，前者相对应地比后者高约1个量级左右，此外，探针计算的电子密度随主等离子体密度上升都持续下降，这可能反映了脱靶等离子体正在离开靶板表面向主等离子体移动的趋势。
　　论文还通过将实验测得Dε谱线与文献中利用微观场模型方法得到的线型数据库进行拟合对比，得到了脱靶等离子体斯塔克展宽电子密度，与准静态模型计算的电子密度相比，在讨论的密度范围内（5×1019-3×1020m-3）最大差别为17.4％，在较低的密度下这种差别进一步缩小。
　　本论文研究结果显示，利用斯塔克展宽计算偏滤器脱靶等离子体的密度分布和演化可以为研究EAST偏滤器脱靶过程提供了一种有效诊断方法，准静态模型可以适用一般的脱靶等离子体密度范围，当密度较高时（＞3×1020m-3），则可以使用微观场模型获得更为准确的结果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 核聚变

1．2 磁约束聚变

1．3 偏滤器

1．4 本论文的研究意义

第2章 偏滤器物理及相关诊断介绍

2．1 等离子体鞘层

2．2 偏滤器运行模式

2．2．1 低再循环模式

2．2．2 高再循环模式

2．2．3 脱靶模式

2．3 托卡马克三维物理效应

2．3．1 磁连接长度与磁瓣

2．3．2 LHW导致的打击点分裂

2．4 相关等离子体诊断

2．4．1 偏滤器三探针

2．4．2 辐射量热计

2．4．3 偏滤器重杂质光谱

第3章 碰撞辐射模型与斯塔克展宽理论

3．1 原子过程

3．1．1 原子过程与平衡

3．1．2 碰撞辐射模型

3．2 斯塔克展宽理论

3．2．1 原子谱线展宽

3．2．2 斯塔克展宽

3．2．3 斯塔克展宽理论中的特征时间尺度

3．2．4 斯塔克展宽的形式处理

3．2．5 准静态场模型

3．2．6 Holtsmark分布

3．2．7 离子运动效应的影响

第4章 EAST偏滤器脱靶等离子体发射谱线斯塔克展宽分析

4．1 诊断设置

4．2 偏滤器脱靶等离子体条件下准静态模型的适用性

4．3 不同展宽机制的影响及误差评估

4．4 实验数据分析

4．5 计算机模拟方法介绍及与准静态模型结果对比

4，5．1 计算机模拟方法原理

4．5．2 氘谱线斯塔克展宽数据库

4．5．3 计算机模拟数据库计算电子密度与准静态模型计算结果对比

第5章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 本论文创新之处

5．3 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果