KT-ST稳态马克装置建立及初步实验研究结果

摘要

本文主要的工作是在中国科学技术大学等离子体物理专业的KT-ST稳态等离子体环形装置上进行的，包括KT-ST稳态磁面位形放电装置的建立以及在此放电位形下等离子体性质的初步实验研究。
　　 首先，设计了在真空室小截面中心的金属内置导体环及相关的配套系统，包括去离子体冷却系统、稳流极向场及纵场供电电源、无油真空抽充气系统、自动化远程控制系统等。完成了整套系统的安装、调试，并实现了稳态等离子体放电的成功运行。新升级后的装置命名为KT-ST。KT-ST稳态马克的KT-ST意义是K表示科大，T表示类似托克马克的环形装置，ST表示稳态/仿星器，兼有仿星马克意思，因为本装置与仿星器一样有真空磁面。
　　 这些工作让KT-ST装置具备了一种新的工程实验的基础条件，使得其可以长时间保持一个具有类托卡马克磁面结构的等离子体环境。装置的适应性和可实验研究范围得到了有效的扩展，有利于进行托卡马克边界等离子体物理可比的实验。
　　 本论文所实现的具有类似托卡马克磁场位形且可以进行稳态环形磁约束等离子体放电的装置，迄今为止在国际上尚未见有其他报道。
　　 其次，本论文在完成装置建立的基础上，对磁面位形稳态放电的等离子体的性质进行了初步诊断。本论文利用CST软件模拟了KT-ST装置的磁力线位形，并测量了真空磁场的空间分布，发现实际测量值与理论模拟吻合的很好，并给出了安全因子在径向的分布。本论文还利用静电探针组对等离子体的重要基本参数的空间分布进行了诊断，给出了等离子体的密度、温度、悬浮电位等物理量在不同纵场、极向场、气压等放电条件下在水平径向或者垂直径向上的分布，对分布进行了相关的比较，并给出了初步的讨论和物理解释。通过对极向剪切速度、径向输运损失等物理量的考查，给出了等离子体极向旋转的初步实验证据。
　　 本论文还使用相机对等离子体发出的可见光进行了拍照，在10微秒量级的曝光时间下的等离子体照片表明，在此磁面放电位形下，等离子体确实有效的极向旋转了起来，为探针的数据提供了支持。

目录

声明

摘要

第一章 引言

第二章 稳态磁约束环位形概述

2．1 磁约束稳态螺旋马克位形的概况

2．1．1 磁约束稳态螺旋马克装置的概述

2．1．2 螺旋马克位形磁约束装置的实验研究

2．2 磁约束内环装置概述

2．2．1 各国主要磁约束内环装置的概况

2．2．2 磁约束内环装置的实验研究

第三章 诊断原理和数据处理方法

3．1 静电探针原理

3．1．1 单探针

3．1．2 双探针

3．1．3 三探针

3．1．4 探针测量涨落量

3．2 马赫探针

3．3 磁探针

3．4 数据处理方法

3．4．1 Fourier变换和功率谱

3．4．2 湍流谱分析

3．4．3 双谱分析

3．4．4 非线性能量传输函数

第四章 稳态等离子体环形装置KT-ST的建立

4．1 KT-5装置介绍

4．2 建立有磁面结构的稳态等离子体环KT—sT的动机

4．3 KT-ST极向场导体环的建立

4．3．1 极向场的设计原理

4．3．2 材料选取和尺寸设计

4．3．3 内置导体环引流端和真空密封的设计

4．3．4 内导体环通电后的受力计算

4．4 内导体环水冷系统

4．4．1 内导体环水冷系统的设计

4．4．2 KT-ST放电极向场冷却系统达到的最终冷却指标

4．5 KT-ST极向及纵向磁场电源系统的建立

4．5．1 极向磁场电源的结构原理

4．5．2 KT—ST磁场电源系统的性能指标

4．6 KT-ST真空系统

4．7 微波注入系统

4．8 KT-ST稳态放电的远程自动化控制系统

4．9 数据采集系统

4．10 KT-ST内置导体环系统的安装

4．11 KT-ST补偿环的建立

第五章 KT-ST稳态等离子体的初步实验结果

5．1 诊断系统

5．1．1 静电四探针

5．1．2 可移动的静电探针阵列

5．1．3 可见光辐射成像

5．1．4 霍尔效应特斯拉计

5．2 信号传输系统

5．2．1 采样电路

5．2．2 探针信号的隔离传输

5．3 未补偿的KT-ST装置的等离子体的基本参数

5．3．1 内导体环电流参数的选取

5．3．2 等离子体基本参数的平衡量

5．3．3 等离子体基本参数的涨落量

5．4 补偿后磁面位形的参数测量

5．4．1 极向磁场

5．4．2 等离子体参数分布

5．5 径向输运特征的初步实验研究

第六章 总结和展望

6．1 总结

6．2 工作展望

附录 KT—ST环建立中的重要部件图纸

参考文献

致谢

发表的学术论文和会议报告