托卡马克边缘等离子体中测地声模带状流的实验研究

论文摘要

本论文主要研究了托卡马克等离子体涨落流中一种非常重要的静电涨落结构：带状流（zonal flows）。托卡马克等离子体中的带状流是极向上环向上对称的静电涨落，并且它在径向上有传播。理论研究表明带状流在调节背景湍流幅度、改善输运以及触发低约束模到高约束模转换（L-H转换）方面都有着重要的作用。它共有两个分支：低频带状流（Low Frequency Zonal Flow，LFZF）和有限频率的测地声模（Geodesic Acoustic Mode，GAM），本论文的重点是测地声模的实验测量，研究它的模特征、同背景湍流之间相互作用以及和输运的关系。本论文中测量测地声模的实验是在中国环流器2号A（Huanliuqi-2A，HL-2A成都）托卡马克上完成的。在国际上首次使用了特殊构造的三台阶静电Langmuir探针阵列，在托卡马克的极向、环向和径向三个方向上同时对测地声模的三维谱特征进行了测量，第一次同时给出了测地声模的三维谱特征。使用两点法计算了测地声模的三维谱功率谱密度S(kθ，kφ，kr，fGAM)，结果表明测地声模在极向和环向对称，m=n=0；在径向上测地声模向外传播，径向波数为kr=+1．8cm-1，宽度为Δkr=1．5cm-1，用离子回旋半径ρi归一化后得到krρi=0．05，Δkrρi=0．04；测地声模的径向波数谱S(kr，fGAM)表明测地声模径向上向外传播，主要是行波成分，驻波分量非常少，它的群速度等于相速度，都是向外传播。本论文通过对实验数据详细地双谱分析和包络分析，首次澄清了在实验中观察到的测地声模同背景湍流两种相互作用：第一种相互作用对应于测地声模从背景湍流产生的能量守恒过程，表现为测地声模对高频背景湍流的直接幅度调制，是测地声模的产生过程；第二种相互作用反映测地声模对背景湍流的剪切效应，在这个过程中背景湍流通过测地声模把能量从低频向高频级联，是在测地声模产生之后和背景湍流的相互作用。本论文还研究了测地声模同高频湍流之间非线性耦合的共振现象。实验结果表明测地声模的相速度接近高频背景湍流的群速度，在两种速度最接近的时候共振现象最明显。本论文得出结论，测地声模由背景湍流通过非线性三波相互作用产生，并且反作用于背景湍流。本论文首次研究了测地声模对径向粒子输运的影响。分析结果表明测地声模的极向对称性能够抑制径向输运，并且测地声模密度涨落的极向不对称性引起输运通量在极向上的不对称。此外本论文还对测地声模进行了非线性动力学的相关分析，初步结果表明测地声模相对幅度越大非线性维数就越小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 带状流物理及实验研究现状
• 1.1 磁约束等离子体概述
• 1.1.1 ExB速度剪切和输运的关系
• r的产生'>1.1.2 剪切径向电场E_r的产生
• 1.2 带状流理论
• 1.2.1 带状流模特征
• 1.2.2 带状流阻尼机制
• 1.2.3 带状流产生机制
• 1.2.4 带状流饱和机制
• 1.2.5 带状流和背景湍流的相互作用
• 1.2.6 带状流研究的重要性
• 1.3 测地声模带状流实验研究综述
• 1.3.1 测地声模模频率的定标
• 1.3.2 测地声模的静电势模结构
• 1.3.3 测地声模密度涨落
• 1.3.4 测地声模的阻尼特性
• 1.3.5 测地声模与背景湍流的相互作用研究
• 1.3.6 测地声模的阵发特性研究
• 1.3.7 测地声模与等离子体涨落输运
• 1.3.8 测地声模带状流实验现状小结
• 第二章 诊断原理与数据处理方法
• 2.1 静电探针原理
• 2.1.1 单探针
• 2.1.2 双探针
• 2.1.3 三探针
• 2.1.4 三探针测量涨落量
• 2.1.5 径向输运通量
• 2.2 磁场涨落测量
• 2.3 数字谱分析方法简介
• 2.3.1 Fourier变换
• 2.3.2 径向输运通量的数字谱分析
• 2.3.3 湍流谱分析技术—两点法测量湍流的功率谱密度
• 2.3.4 双谱分析方法
• 2.3.5 相关谱和双谱统计误差的计算
• 2.4 包络分析方法
• 2.4.1 Hilbert变换
• 2.4.2 Rice方法
• 2.4.3 幅度调制和相位调制之间联系
• 2.5 等离子体湍流中的能量传输
• 2.5.1 幅度相关法
• 2.5.2 能量传输函数
• 2.6 非线性动力学分析
• 2.6.1 R/S分析技术
• 2.6.2 Lyapunov指数的计算
• 2.6.3 Kolmogorov熵
• 第三章 诊断设备及实验安排
• 3.1 实验装置简介
• 3.2 静电探针系统
• 3.3 数据采集系统
• 3.3.1 离子饱和流测量电路
• 3.4 电路噪声分析
• 第四章 托卡马克边界等离子体特征
• 4.1 边界参数分布
• 4.2 背景湍流特征
• 4.2.1 背景湍流极向和径向相关长度
• 第五章 测地声模的实验研究
• 5.1 测地声模静电势涨落的谱特征
• 5.1.1 静电势涨落中的相干模
• 5.1.2 测地声模的三维谱特征
• 5.1.3 探针阵列的径向偏差造成的影响
• 5.1.4 测地声模谱特征小结
• 5.2 测地声模剪切率同背景湍流增长率比较
• 5.3 测地声模密度涨落特征
• 5.3.1 测地声模密度谱特征
• 5.3.2 极向输运通量不对称与测地声模的关系
• 5.4 测地声模双谱特征
• 5.4.1 自双谱特征
• 5.4.2 互双谱特征
• 5.4.3 自双谱和互双谱的对比
• 5.5 测地声模和背景湍流之间的非线性相互作用
• 5.5.1 测地声模对背景湍流的包络调制
• 5.5.2 测地声模同背景湍流相互作用类型的研究
• 5.5.3 共振特性的研究
• 5.6 测地声模同背景湍流相互作用简单总结
• 5.7 测地声模非线性动力学的研究
• 第六章 总结和展望
• 6.1 总结
• 6.2 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研究成果
• 个人简历