J-TEXT托卡馬克彎晶譜儀系統(tǒng)研制和等離子體本征轉動實驗研究.pdf

1、托卡馬克，作為一種磁約束可控核聚變裝置，等離子體需要滿足聚變三重積才能實現自持燃燒，為人類所利用。由于托卡馬克自身存在多種宏觀磁流體不穩(wěn)定性或者微觀湍流不穩(wěn)定性，極大地限制了等離子體的約束性能，甚至可能誘發(fā)等離子體大破裂危害裝置安全。在等離子體發(fā)展從低約束L模放電到高約束H模轉變時，研究發(fā)現等離子體轉動及其剪切可以有效地抑制這些宏觀和微觀不穩(wěn)定性的發(fā)展，維持內部輸運壘，改善約束性能。轉動速度的這種特性激發(fā)了對轉動監(jiān)測手段以及輸運特性的研

2、究。
　　在目前托卡馬克裝置上，轉動速度主要來自于外部切向中性束注入所提供的動量輸入。中性束與帶電粒子碰撞發(fā)生電荷交換形成高能離子，通過庫倫碰撞將動量傳給等離子體。然而對于ITER裝置，由于要驅動大體積高密度的等離子體中性束注入效率甚低，其能達到的功率有限而不能滿足ITER的需求。我們只能依靠沒有任何外部動量輸入時的等離子體本征轉動速度，無論是在純歐姆加熱還是在有波輔助加熱時，實驗上都發(fā)現等離子體能自發(fā)地旋轉。轉動的輸運同粒子和熱

3、輸運一樣，是反常的，本征轉動的大小、方向及其輸運特性與多種等離子體參數都存在密切的聯系。經過十多年的研究，實驗和理論上對轉動速度的認識依然未達成共識，即使是最根本的歐姆等離子體的轉動速度。本文利用J-TEXT托卡馬克較簡單的等離子體來研究本征轉動。
　　為了研究本征轉動速度，在J-TEXT裝置上研發(fā)一套切向彎晶譜儀系統(tǒng)來測量芯部環(huán)向轉動速度。通過主動注入微量氬氣的方式，彎晶譜儀測量被動類氦氬離子的光譜，有利于本征轉動的研究。球面彎

4、晶的二維聚焦特性，實現了對等離子體的空間分辨測量。在J-TEXT歐姆等離子體下的測量由于光通量低的特性，以及實驗高時間分辨的需求，彎晶譜儀采用一系列優(yōu)化設計和折中考慮，獲得最高時間分辨為2ms的測量結果。彎晶譜儀系統(tǒng)測量的空間分辨和時間分辨的電子溫度和離子溫度對電子密度的關系，不僅顯示了彎晶譜儀的高測量精度和測量準確度。
　　基于成熟的轉動理論，創(chuàng)新地對彎晶譜儀測量轉動速度的方向和大小依次進行標定，然后結合邊界可見光光柵光譜儀測量

5、邊界環(huán)向轉動，首次給出J-TEXT歐姆等離子體本征轉動速度剖面?；诖耍芯客饧勇菪龍鲎饔孟碌入x子體轉動的輸運特性。實驗發(fā)現，螺旋場的共振分量起主要作用，螺旋場穿透鎖模發(fā)生在q=2有理面，穿透之后由于模式耦合產生的電磁力使邊界和中心的轉動速度幾乎同時朝電流方向加速，并在能量約束時間尺度10ms達到新的平衡，轉動輸運速率遠大于反常輸運。模式2/1和1/1之間的耦合作用在速度剖面演化中起到關鍵作用，另外與其它裝置上的結果不同的是穿透鎖模后轉