J-TEXT托卡马克锯齿行为中扰动量的探测与研究

发布时间：2020-07-23 00:18

【摘要】：锯齿是一种发生在等离子体芯部的宏观磁流体不稳定性,与q=1面以内的磁扰动(电流扰动)相关。它会造成等离子体芯部参数的降低,破坏等离子体的约束性能,但同时又具备排除芯部杂质的功能。为了将来能顺利实现对锯齿的精确控制以改善芯部等离子体约束,同时排除聚变反应中生成的α粒子,需要对锯齿行为过程中的粒子输运和磁扰动都展开进一步的探测和研究。三波偏振干涉仪能够同时测量电子密度和芯部磁场,而且具有很高的时间分辨率,如果能实现对锯齿的观测,无疑是用来开展这些研究的最佳探测手段。本人参与了J-TEXT偏振干涉仪的全部搭建工作,并通过对它测量精度的优化成功实现了对锯齿行为的测量。本文主要工作内容有以下几个方面：消除振动影响是实现偏振干涉仪高精度测量的关键。根据在HCN干涉仪上进行振动消除预实验得到的经验,在J-TEXT偏振干涉仪设计和搭建时基于惯性抗振和介质减振原理,合理配置大质量基座以及橡胶隔振垫,并结合机械支撑结构的优化,实现了对振动的有效衰减。之后又从诊断原理出发,对参考道进行了与探测道相同的布局,使残余振动的影响在对它们求相位差时得到抵消。最终,振动的影响被减至噪声水平,在电子线密度信号上为～1°(1.4×1016m-2),在法拉第旋转角信号上为～0.1°。共线是测量到准确法拉第旋转角的基本条件,也是实现三波偏振干涉仪的最大难点之一。由于等离子体密度的附加相位比法拉第旋转角大约2个数量级,当两束测量光不共线时,会因为密度梯度的存在而给法拉第旋转角带来测量误差。J-TEXT偏振干涉仪的共线调节通过使用激光光束分析仪完成,并在调节完成之后通过在光路中添加一个偏振片,将合束后的两束圆偏振光调制成相同的线偏振光穿过等离子体,首次实现了对共线误差的直接测量和优化。通过以上优化,J-TEX偏振干涉仪成功在电子线密度和法拉第旋转角信号上都准确地测量到了锯齿扰动。由于偏振干涉仪测量到的是弦积分量,为得到电子密度、电流密度和安全因子的分布还需要对测量数据进行反演。J-TEXT偏振干涉仪上发展了一套平衡反演程序,并在反演程序中对测量受折射效应的影响做了修正,使得J-TEXT偏振干涉仪对电流密度的测量误差在-0.6≤ρ≤0.6以内都小于10%。这个结果同国际热核聚变实验堆(ITER)对它计划发展的偏振干涉仪测量电流密度的精度要求是一致的。利用偏振干涉仪测量的密度锯齿和反演程序给出密度分布对锯齿过程中的粒子输运进行了分析。研究结果表明,锯齿崩塌时等离子体芯部的粒子输运系数会爆发性地增加,靠近外侧的粒子输运系数也会有相应的增强,由此才导致了芯部粒子密度分布变得平坦而靠近边缘的密度变化不明显；此外,锯齿崩塌时将芯部粒子的向外输运只能到达q=2面,这也为将来通过锯齿排除芯部α粒子提出了挑战。最后,对法拉第旋转角锯齿信号进行了初步分析。对低场侧相邻两道法拉第旋转角信号上的反向突起的研究表明,这两道之间存在的～5kA的局部扰动电流,方向与等离子体电流相同,扰动模数为n=0。此外J-TEXT偏振干涉仪法拉第旋转角信号上展示出的锯齿多样性也表明,锯齿过程中的磁扰动远比现有理论和想象中的复杂,对它的研究还需要在测量技术和理论模型上都进行更加深入的开展。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TL631.24

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