HL-2A装置束发射谱诊断研制及高约束模下边缘湍流的实验研究

发布时间：2020-07-06 08:32

【摘要】：在磁约束聚变等离子体中,微观湍流及其引起的反常输运是限制等离子体约束性能的重要因素之一。具有高时空分辨能力的二维诊断系统对于微观湍流的研究大有裨益。本人博士期间在HL-2A装置上研制了一套二维、多通道的束发射谱(Beam Emission Spectroscopy,BES)诊断系统,并使用二维BES诊断对HL-2A及DⅢ-D装置高约束放电模式下边缘湍流的特征进行了实验研究。HL-2A上BES系统通过测量中性束与等离子体碰撞后辐射出的特征谱线(Dα线)的强度扰动,给出二维空间内电子密度的涨落信息。BES系统包括收集光路、传输光路、光电转换和数据采集几大部分,设计时充分结合HL-2A装置的位形及参数特征。诊断窗口位于中性束左侧下方,沿磁力线切向方向斜向上观察中性束。抗辐射、高通过性的镜头组由直径18cm物镜和10cm目镜构成,安装在真空室内,以4:1倍率将径向r=12cm～44cm,极向z=-7.5cm～7.5cm的二维空间成像于BES窗口外侧。BES窗口外侧的二维光纤支架覆盖整个像面,方便光纤束的固定及排布。高度定制化的多模石英光纤束作为高效的传输光路,光纤的数值孔径高达0.37,传输效率高于95%。光电转换系统中使用2 nm窄带滤波片筛选目标谱线;选用带PIN结的光电二极管探测器(PPD)将光信号转换为电流信号,并由四级放电电路转换为电压信号并放大;合适的冷却保证光电转换系统实现低噪声、高量子效率的测量。多通道同步采集系统以2MHz的速率对所有信号进行数字化、采集并存储至数据库。BES系统的发展经历了三个阶段:第一阶段安装光路并与16通道探测器构成了原型系统,实际测试验证了设计合理;第二阶段在原型系统基础上改善了光纤及光纤支架的设计,并将系统拓展至32个通道,实现了湍流的二维测量;第三阶段完成首创的集成式探测器的加工和测试,信噪比和带宽进一步提升,系统也升级至48通道。在HL-2A装置上,32通道的BES系统在L-H转换前清楚观测到二维湍流结构及其随时间的演化情况。在DⅢ-D装置Super H模放电中,二维BES诊断系统在台基顶部观测到频率为60kHz～200kHz离子侧湍流和300kHz～450kHz的电子侧宽频湍流。利用BES诊断计算出两种模式的相关长度、极向速度等特征参数,结合回旋动理学程序GYRO的模拟结果分析,低频模式应为离子温度梯度模(Ion Temperature Gradient Mode),而高频模式可能为微撕裂模(Micro-tearing Mode)。目前HL-2A装置上的BES诊断系统已经拓展至48通道,具备了二维湍流测量的能力。系统时间分辨为0.5μs,径向空间分辨为1cm,极向分辨为1.2cm;对于中频段20～100kHz的湍流,系统的信噪比达到100,而有效的频率测量带宽为200kHz。这样的性能处于先进水平,能够为HL-2A上L-H转换、湍流能量传递、湍流与带状流的相互作用等物理问题的研究提供有效的实验数据支撑。二维BES诊断在HL-2A和DⅢ-D装置上高约束模式下湍流的研究结果,有助于理解湍流与台基区物理以及与约束改善的关系,可为未来的高约束放电提供指导。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL631.24
【图文】：

合肥等离子体物理研究所的全超导托卡马克“东方超环”（ＥＡＳＴ）逦以及华逡逑中科技大学的“联合实验托卡马克”（】－１￡NB１）【１１】三个中大型托卡马克实验平台，逡逑分别如图１．２、１．３、１．４所示。另外，核工业西南物理研究院正在组装的新托卡马逡逑克装置ＨＬ－２Ｍ［１２】，预期在２０１９年实现第一次等离子体放电运行，届时会在某些逡逑关键参数上实现一定的突破。表１．２列举了国内主要托卡马克装置的部分参数。逡逑除此之外，中国科学技术大学的反场环装置“科大一环”（ＫＴＸ）ＩＷ、清华大逡逑学的“中国联合球形托卡马克”（ＳＵＮＩＳＴ）［１４１等装置也在为中国的磁约束核聚变逡逑相关研宄及聚变人才的培养做出贡献。逡逑４逡逑

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