稳态磁约束环等离子体输运相关问题的实验研究

论文摘要

本论文主要研究了稳态磁约束等离子体环中一种重要的粒子和能量的输运结构blob和等离子体在空间上的大尺度极向旋转现象等。实验工作是在中国科学技术大学KT-5D双功能环上进行的。作者在成功地研制建立57针的二维小截面高空间分辨（2cm×2cm）探针阵列系统的基础上,首次使用该阵列获得了blob从生成到消失的小截面二维图象;表明了blob产生于等离子体中心区域的密度峰,并且沿着径向传播,导致粒子和能量的输运;Blob的演化时间尺度在100μs量级,空间尺度在cm量级,横向速度约为103m/s。作者又实现了可见光相机的高速采集图像。以每秒1789帧、曝光80微秒的条件拍摄到了等离子体中blob的时间积分图象,为上述探针得到的基本结果,提供了直观的可见光图像佐证。作者还使用这套二维探针阵列,首次探测到小截面上的等离子体大尺度极向旋转现象。极向旋转主要发生在低场侧,旋转的速度在103m/s量级,空间尺度超过了厘米量级。论文中对形成blob的密度结构与E×B流之间关系进行了分析,支持了E×B流对密度流的剪切可以在等离子体中形成blob的观点,这种剪切引起高场侧和低场侧的对流,导致了与blob相关的粒子和能量的径向输运损失。结果表明blob可能是径向粒子损失的主导机制。论文应用小波分析方法,表明blob在时域上具有一定的间隙阵发特性,而大尺度极向旋转具有周期性。这种周期性,为稳态装置离子饱和流以及悬浮电位的自功率谱中普遍存在的kHz量级的峰,提供了一种可能的解释。此外,论文还表明这种大尺度旋转引起的电流,可能导致一种抵消垂直方向电荷分离的作用,这种分离来源于稳态环位形造成的异号电荷的反向漂移。旋转运动减弱了相应漂移的垂直电场,从而使粒子约束改善。适当的垂直场也具有明显改善等离子体粒子约束的作用。这是因为垂直场决定了Helimak位形的磁场剪切,从而决定了粒子的横向运动损失与顺磁力线运动损失之间的相对大小。实验表明,要想得到最高的等离子体密度和温度,并不是垂直场越大越好,对于一个确定的稳态环装置,获得最佳约束的垂直场与纵场之相对大小,与装置的大小半径尺度有关,存在着一个最优的比值。论文还通过对探针信号的统计学分析,讨论了blob、大尺度极向旋转与垂直场带来的磁剪切的关系。分析表明磁剪切会减弱大尺度极向旋转。适当改变垂直场以变化磁剪切,可以有效地抑制blob引起的输运。论文还介绍了作者在其他各项硬件方面的新工作,包括:稳态纵场的电源系统的优化改造;稳态放电时序控制系统的建立;垂直微波注入系统的建立;光电隔离放大器的研发;可见光照相系统高速图像采集软件的编制等。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 第二章 简单环位形等离子体的研究综述
• 2.1 稳态磁约束装置概述
• 2.1.1 各国主要稳态环形磁约束装置概况
• 2.1.2 稳态磁约束环装置等离子体平衡研究
• 2.2 ECR的激发和吸收
• 2.2.1 截止和共振
• 2.2.2 吸收机制
• 2.2.3 实际的简单环形装置微波ECR激发等离子体参数分布
• 2.3 环形稳态等离子体湍流和输运的研究
• 2.3.1 相干结构及截面参数分布
• 2.3.2 不稳定性分类
• 2.3.3 粒子输运
• 2.3.4 湍流统计属性
• 2.3.5 湍流抑制
• 2.4 Blob现象
• 2.4.1 简单的blob方程
• 2.4.1.1 blob的极化机制
• 2.4.1.2 平行流和闭合模型
• 2.4.2 blob的鞘层限制模型
• 2.4.3 直接成像在blob观测中的应用
• 2.4.4 采用探针对blob的实验观测
• 参考文献
• 第三章 诊断原理与数据分析方法
• 3.1 静电探针
• 3.1.1 单探针原理
• 3.1.2 三探针原理
• 3.1.3 有漂移速度的等离子体中的探针
• 3.1.4 射频等离子中的探针
• 3.2 马赫探针
• 3.3 磁探针
• 3.3.1 磁探针的静电感应
• 3.3.2 磁探针测量磁涨落引起输运通量和电流分布
• 3.4 可见光辐射的测量
• 3.5 湍流谱分析
• 3.5.1 自相关和互相关
• 3.5.2 功率谱
• 3.5.3 零相移滤波
• 3.6 湍流谱两点相关分析
• 3.7 涨落驱动的输运通量
• 3.8 双谱分析
• 3.9 统计分析技术
• 3.9.1 分形高斯噪声fGn和分形布朗运动fBm
• 3.9.2 Husrt指数的估计方法
• 参考文献
• 第四章 二维探针系统和相关实验设备的建立或改进
• 4.1 KT-5D装置和托卡马克放电功能
• 4.2 新电源触发隔离器的制作和双功能纵场电源系统的优化
• 4.3 垂直微波（ECR）注入系统的建立和使用
• 4.4 全小截面测量用二维57针探针阵列系统的制作
• 4.4.1 探针阵列的设计和制作
• 4.4.2 探针阵列的连接和安装
• 4.4.3 探针信号的传输
• 4.5 新一代高性能光电隔离放大器的制作和使用
• 4.6 可见光图像高速采集软件的编制和使用
• 第五章 Helimak位形下等离子体约束的研究
• 5.1 垂直场相关实验的背景介绍及其物理意义
• 5.2 Helimak位形的特点
• 5.3 Helimak位形下粒子损失机制的描述
• 5.4 KT-5D上的Helimak实验结果
• 参考文献
• 第六章 KT5D稳态环等离子体湍流和输运的研究
• 6.1 KT-5D湍流自组织临界性（SOC）的观测和分析
• 6.2 BlOb概念及其研究情况概述
• 6.3 小截面分布的二维探针阵列及其应用
• 6.4 KT5D稳态放电等离子体中blob的观测和分析
• 6.5 KT5D稳态放电等离子体的大尺度旋转
• 6.6 blob的统计学分析
• 6.6.1 相关分析
• 6.6.2 核密度估计概率密度函数
• 6.6.3 自功率谱分析
• 6.6.4 一维连续Daubechies小波分析
• 6.7 blob现象的光学诊断
• 参考文献
• 第七章 总结和展望
• 7.1 总结
• 7.2 进一步工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果