EAST多道运动斯塔克效应诊断光谱模拟与实验研究
发布时间：2020-11-10 18:21
在磁约束聚变等离子体物理研究中,安全因子(q)是基本物理参数之一,对等离子体输运与磁流体不稳定性问题的研究都有重要影响。运动斯塔克效应MSE(Motional Stark Effect)诊断通过直接测量磁场偏振角,结合平衡重建代码EFIT能够给出q分布。为了支持EAST多道MSE系统设计和硬件实现,利用中性束束辐射光谱模拟程序ALCBEAM和NBASS完成了对EAST多道MSE系统的模拟。在EAST装置上参与了多道MSE系统的研制,完成了系统的组装与测试,测量了偏振角。基于实验测量的光谱,开展了初步光谱分析。多道MSE诊断系统是基于中性束注入NBI(Neutral Beam Injection)的主动测量,通过测量中性束与等离子体相互作用后辐射的特征谱线的偏振态,来获得偏振角。利用ALCBEAM和NBASS程序,本文从基本原理出发,考虑中性束、收光系统、采集系统等因素对测量的影响,完成了对EAST多道MSE系统的模拟,获得了中性束的衰减分布和MSE光谱。模拟结果显示系统空间分辨率为0.9 cm～2.3 cm(边界至芯部),验证了设计的合理性。在偏振测量中,滤光片的中心波长与半高宽会影响透过滤光片的信号光偏振度,直接影响着输出信号的信噪比。通过多道MSE诊断系统的模拟,给出了滤光片带宽选择和光透过率的关系,为滤光片参数设计提供参考。中性束的高压变化将会引起滤光片的中心波长漂移,本论文还模拟了不同高压下滤光片中心波长的漂移值。在EAST实验中发现,等离子体与多离子源中性束相互作用的过程中会产生严重的谱线叠加,增加了数据分析难度。采用ALCBEAM和NBASS代码对多离子源中性束与等离子体相互作用过程进行了模拟,获得了谱线叠加的阈值,以及较高信噪比时的中性束能量组合,为实验放电提供了参考。基于上述模拟结果,参与了 EAST多道MSE系统的搭建与测试。该系统具有10个空间观测通道,测量范围沿着大半径R=1.8～2.33 m,空间分辨率小于3 cm,时间分辨率10 ms,观测的波长范围为651～661 nm。前端集光镜头采用了低范德尔系数的ZF7玻璃,通过在反射镜上镀电介质膜,有效地减少对收集的偏振光偏振度的影响。利用两块快轴之间夹角为45°的光弹调制器PEM(photo-elastic modulator)将偏振光偏振信息调制为强度信息,并在 PEM 之后设置 一个22.5°的线偏振片,消除其它方向的偏振光。调制之后的信号经光纤传输到实验室,通过4 nm的窄带滤光片筛选出目标谱线。利用光电采集系统进行快速采集,而后经锁相放大器提取出特定的二倍频率分量的幅值,从而获得偏振角信息。此外,利用双耦合设计的光路系统,将光纤传导的光信号传递至光谱仪进行采集,获得MSE谱线。MSE谱线σ与π分量之间的分裂值与磁场强度密切相关,利用实验谱线分裂值,获得了磁场强度分布。光谱测量值与线圈电流产生的总磁场基本一致,验证了光谱法分析磁场在EAST装置上的可行性,从而为等离子体控制提供参考。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TL631.24
【部分图文】：
能源是人类发展历程中必不可少的重要成??份，因此有必要寻求可再生能源。??於：＆?＃?Ｃｏａｆ?？?Ｏｉｌ?＃?Ｎａｔｕｒａｌ?９＾５?？?Ｎｕｃｌｅａｒ?Ｈｙｄｒｏ?ｉ?Ｂｉｏｆｕｅｌｓ?ａｎｄ?ｗａｓｔｅ?＃?Ｏｔｈｅｒ??Ｊ??：；：??—?．…??？?????＂ｉ?ｉ????；■??■＇，；ｉ，ｉ??ｉ??，?ｉ??＇Ｉ?＇?！??ｔｙｎ?ｗｎ?ｉｍｋ＞?＊ｓｆｓ６?＜９９〇?ａｏｏｔ?３ｃｉｏ?ｉｏｔｉ?ｓｅｎ＊??图１．１表示不同种类能源全球消耗的消耗量与时间的关系??技术成熟的可再生能源，例如水力发电和地热，相对清洁和可靠；然而，好??的地热能非常有限，且分布不均。太阳能和风能可以更加便捷的收集，但受昼夜??温差和季节变化影响，总的利用率比较低。核裂变能源是一种己被广泛应用的技??术；然而，它有几个问题：长寿命的放射性废物和核电站事故导致放射性物质泄??漏风险。因此，目前现有的任何技术都不能完全满足当今或未来的能源需求，需??要人类开始进一步的探索。??核聚变能是未来最有希望的能源之一。基于氘氚的核聚变反应在一亿度以上??的高温度下能够促使燃料核子克服库仑斥力，发生核反应释放大量的能量，并且??地球的海洋中蕴含着极为大量的氘，几乎用不尽，反应产物放射性活度低，而且??与裂变反应堆相比不会产生核事故，具有天然的固有安全性。这些特性使聚变能??具有非常诱人的前景，并且自上世纪五十年代以来一直是全球能源研宄的主题之??一。迄今己经取得了很大的进展，并且正在建造一个大型实验反应堆ＩＴＥＲ??１??
３）［５］。??〈〇＿ｖｒｅｌ〉＝?Ｊｃｒ（｜ｖ１－ｖ２｜）｜ｖ１－ｖ２｜／（ｖ１）／（ｖ２）ｄ３ｖ１ｄ３ｖ２?（１．２）??／?＼３／２?２??〔告）ｅｘｐ－等?（Ｌ３）??Ｄ－Ｔ反应达到最大反应截面的温度为６８．６?ｋｅＶ［６］，当今的仍然没有达到这个??温度的装置。ＩＴＥＲ的目标是运行在１５ｋｅＶ，ＤＴ的反应截面为最大值的３１％［７］。??ＩＣＲＦ或中性束加热能产生非麦克斯韦分布的离子，包括高能量的快离子，能够??提升反应截面。Ｄ－Ｔ，Ｄ－Ｄ和Ｄ３－Ｈｅ的聚变反应截面如下图１．２所示。??ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?［ｋｅＶ］??１０°?１０１?１０２?１０３??３１０－２１Ｆ?＇?ｚ??ｆ：：：：??Ａｙ?１＝?〇：；?ｆ??＾?１０?２６?／?／?／?—?Ｄ－Ｈｅ３｜－??巴?１０?ｉ〇￣２?，—，?ｉｏ＿１?ｉｏ１５?ｌｏ１??ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?［ｂｉｌｌｉｏｎ?ｋｅｌｖｉｎｓ］??图１．２不同聚变反应的反应截面ｍ??Ｄ－Ｔ反应会产生３．５?ＭｅＶ的ａ粒子或４Ｈｅ。因为这远远超过了等离子体温??度，所以被称为快离子或高能粒子。如果ａ粒子能够在有限的范围内，它们将通??过碰撞而减速，加热等离子体。这能够减少辅助加热，并改善所需的加热功率提??高反应堆的效率。当条件合适，ｃｔ粒子可以提供聚变反应的所有的加热功率，反??应就可以自我维持。我们称这种情况为点火，称等离子体为燃烧等离子体。然而，??随着反应的进行，氦灰的积累将会稀释燃料，减缓反应，以及增加杂质浓度，导??３??
?第一章绪论???致能量致损失。因此，在稳态反应堆中，了解和控制氦离子的输运很重要。??托卡马克是一种具有环对称结构的磁约束聚变装置。托卡马克中间是圆柱形??的螺线管与加热场线圈组成欧姆变压器对气体加热产生等离子体形成等离子体??电流，同时外加沿着真空室环行方向分布的纵场线圈内部产生环向磁常等离子??体电流产生极向磁场与环向磁场，形成了叠加的磁场，从而对等离子体产生约束。??托卡马克的基本组成如图１．３所示。??Ｔｏｒｏｉｄａｌ?ｆｉｅｌｄ?ｃｏｉｌｓ?？?－?Ｐｏｓｉｔｉｏｎ?ｃｏｎｔｒｏｌ?ｃｏｉｌｓ??二?ＩＳｉＢＩ??（ｎｅｓｔｅｄ）?｜｜??Ｐｒｉｍａｒｙ?ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ?Ｖａｃｕｕｍ?ｖｅｓｓｅｌ??ｃｏｉｌｓ??图１．３托卡马克结构示意图??托卡马克是苏联科学家在二十世纪五十年代提出并建造的，世界上第一个托??卡马克装置是Ｔ－ｌ［８］，之后建造的Ｔ－３装置达到了?１?ｋｅＶ和电子密度１０１３ＣｎＴ３［９］，??为核聚变研究提供了一种有前景的技术路线。国内外从事核聚变研究的同行开始??了建造托卡马克装置，美国陆续建成了?ＰＢＸ－Ｍ［１Ｑ］、ＴＦＴＲ１１１］、ＡｌａｃｔｏｒＣ－Ｍｏｄ［１２］、??ＤＩＩＩ－Ｄ［１３］；英国建设了?ＪＥＴ［Ｉ４］；德国发展了?ＡＳＤＥＸ【１５］，日本建设了以ＪＴ－６０Ｕ为??主的多个托卡马克装置［１６］。??国内主要从事核聚变与等离子体物理研宄的单位有：中国科学院等离子体物??理研宄所，核工业西南物理研宄院，中国科学技术大学，华中科技大学，大连理??工大学，清华大学等。中国的核聚变研宄主要以托卡马克为主，现有的主要装置??有合肥的ＥＡＳＴｍ，成都的ＨＬ
【参考文献】
本文编号：2878216
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TL631.24
【部分图文】：
能源是人类发展历程中必不可少的重要成??份，因此有必要寻求可再生能源。??於：＆?＃?Ｃｏａｆ?？?Ｏｉｌ?＃?Ｎａｔｕｒａｌ?９＾５?？?Ｎｕｃｌｅａｒ?Ｈｙｄｒｏ?ｉ?Ｂｉｏｆｕｅｌｓ?ａｎｄ?ｗａｓｔｅ?＃?Ｏｔｈｅｒ??Ｊ??：；：??—?．…??？?????＂ｉ?ｉ????；■??■＇，；ｉ，ｉ??ｉ??，?ｉ??＇Ｉ?＇?！??ｔｙｎ?ｗｎ?ｉｍｋ＞?＊ｓｆｓ６?＜９９〇?ａｏｏｔ?３ｃｉｏ?ｉｏｔｉ?ｓｅｎ＊??图１．１表示不同种类能源全球消耗的消耗量与时间的关系??技术成熟的可再生能源，例如水力发电和地热，相对清洁和可靠；然而，好??的地热能非常有限，且分布不均。太阳能和风能可以更加便捷的收集，但受昼夜??温差和季节变化影响，总的利用率比较低。核裂变能源是一种己被广泛应用的技??术；然而，它有几个问题：长寿命的放射性废物和核电站事故导致放射性物质泄??漏风险。因此，目前现有的任何技术都不能完全满足当今或未来的能源需求，需??要人类开始进一步的探索。??核聚变能是未来最有希望的能源之一。基于氘氚的核聚变反应在一亿度以上??的高温度下能够促使燃料核子克服库仑斥力，发生核反应释放大量的能量，并且??地球的海洋中蕴含着极为大量的氘，几乎用不尽，反应产物放射性活度低，而且??与裂变反应堆相比不会产生核事故，具有天然的固有安全性。这些特性使聚变能??具有非常诱人的前景，并且自上世纪五十年代以来一直是全球能源研宄的主题之??一。迄今己经取得了很大的进展，并且正在建造一个大型实验反应堆ＩＴＥＲ??１??
３）［５］。??〈〇＿ｖｒｅｌ〉＝?Ｊｃｒ（｜ｖ１－ｖ２｜）｜ｖ１－ｖ２｜／（ｖ１）／（ｖ２）ｄ３ｖ１ｄ３ｖ２?（１．２）??／?＼３／２?２??〔告）ｅｘｐ－等?（Ｌ３）??Ｄ－Ｔ反应达到最大反应截面的温度为６８．６?ｋｅＶ［６］，当今的仍然没有达到这个??温度的装置。ＩＴＥＲ的目标是运行在１５ｋｅＶ，ＤＴ的反应截面为最大值的３１％［７］。??ＩＣＲＦ或中性束加热能产生非麦克斯韦分布的离子，包括高能量的快离子，能够??提升反应截面。Ｄ－Ｔ，Ｄ－Ｄ和Ｄ３－Ｈｅ的聚变反应截面如下图１．２所示。??ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?［ｋｅＶ］??１０°?１０１?１０２?１０３??３１０－２１Ｆ?＇?ｚ??ｆ：：：：??Ａｙ?１＝?〇：；?ｆ??＾?１０?２６?／?／?／?—?Ｄ－Ｈｅ３｜－??巴?１０?ｉ〇￣２?，—，?ｉｏ＿１?ｉｏ１５?ｌｏ１??ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?［ｂｉｌｌｉｏｎ?ｋｅｌｖｉｎｓ］??图１．２不同聚变反应的反应截面ｍ??Ｄ－Ｔ反应会产生３．５?ＭｅＶ的ａ粒子或４Ｈｅ。因为这远远超过了等离子体温??度，所以被称为快离子或高能粒子。如果ａ粒子能够在有限的范围内，它们将通??过碰撞而减速，加热等离子体。这能够减少辅助加热，并改善所需的加热功率提??高反应堆的效率。当条件合适，ｃｔ粒子可以提供聚变反应的所有的加热功率，反??应就可以自我维持。我们称这种情况为点火，称等离子体为燃烧等离子体。然而，??随着反应的进行，氦灰的积累将会稀释燃料，减缓反应，以及增加杂质浓度，导??３??
?第一章绪论???致能量致损失。因此，在稳态反应堆中，了解和控制氦离子的输运很重要。??托卡马克是一种具有环对称结构的磁约束聚变装置。托卡马克中间是圆柱形??的螺线管与加热场线圈组成欧姆变压器对气体加热产生等离子体形成等离子体??电流，同时外加沿着真空室环行方向分布的纵场线圈内部产生环向磁常等离子??体电流产生极向磁场与环向磁场，形成了叠加的磁场，从而对等离子体产生约束。??托卡马克的基本组成如图１．３所示。??Ｔｏｒｏｉｄａｌ?ｆｉｅｌｄ?ｃｏｉｌｓ?？?－?Ｐｏｓｉｔｉｏｎ?ｃｏｎｔｒｏｌ?ｃｏｉｌｓ??二?ＩＳｉＢＩ??（ｎｅｓｔｅｄ）?｜｜??Ｐｒｉｍａｒｙ?ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ?Ｖａｃｕｕｍ?ｖｅｓｓｅｌ??ｃｏｉｌｓ??图１．３托卡马克结构示意图??托卡马克是苏联科学家在二十世纪五十年代提出并建造的，世界上第一个托??卡马克装置是Ｔ－ｌ［８］，之后建造的Ｔ－３装置达到了?１?ｋｅＶ和电子密度１０１３ＣｎＴ３［９］，??为核聚变研究提供了一种有前景的技术路线。国内外从事核聚变研究的同行开始??了建造托卡马克装置，美国陆续建成了?ＰＢＸ－Ｍ［１Ｑ］、ＴＦＴＲ１１１］、ＡｌａｃｔｏｒＣ－Ｍｏｄ［１２］、??ＤＩＩＩ－Ｄ［１３］；英国建设了?ＪＥＴ［Ｉ４］；德国发展了?ＡＳＤＥＸ【１５］，日本建设了以ＪＴ－６０Ｕ为??主的多个托卡马克装置［１６］。??国内主要从事核聚变与等离子体物理研宄的单位有：中国科学院等离子体物??理研宄所，核工业西南物理研宄院，中国科学技术大学，华中科技大学，大连理??工大学，清华大学等。中国的核聚变研宄主要以托卡马克为主，现有的主要装置??有合肥的ＥＡＳＴｍ，成都的ＨＬ
【参考文献】
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1 胡纯栋;谢亚红;谢远来;刘胜;许永建;梁立振;蒋才超;盛鹏;顾玉明;李军;刘智民;;Overview of Development Status for EAST-NBI System[J];Plasma Science and Technology;2015年10期
2 李强;;HL-2A托卡马克装置的工程和实验概况[J];原子能科学技术;2009年S2期
3 周军;光弹调制器应用的Mueller矩阵分析[J];常熟高专学报;2001年04期
本文编号：2878216
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