带状流在偏压电极约束改善实验和芯部相干散射实验中的研究

发布时间：2018-04-08 18:52

本文选题：带状流　切入点：低频带状流　出处：《中国科学技术大学》2016年博士论文

【摘要】：带状流(Zonal Flows)是磁约束等离子体中非常重要的静电涨落流,模特征表现为环向和极向对称,并具有有限径向波数。带状流由背景湍流(AT)通过非线性三波相互作用产生,即能量来源于背景湍流,且带状流能通过径向剪切抑制背景湍流,调节背景湍流的幅度,在改善约束以及触发低约束模向高约束模转换(L-H)的研究中有着非常重要的作用。电极偏压(Electrode Biasing)是一种广泛使用的人为改变等离子体内径向电场分布的手段,在本论文中使用偏压电极在J-TEXT托卡马克中实现偏压H模,观测到了低频带状流(LFZF)和测地声模(GAM)带状流,并研究了它们在偏压约束改善实验中的关键作用,研究了它们与背景湍流的相互作用以及对输运的影响。本文主要内容包括实验研究了带状流的两个分支：低频带状流(Low Frequency Zonal Flow, LFZF)和有限频率的测地声模(Geodesic Acounstic Mode, GAM),以及它们在偏压约束改善中与湍流的相互作用和对输运的影响。此外,还发展出一种瞬时频率(Intermediate Frequency)算法,用于提取托卡马克装置上散射数据中的速度信息,并成功使用该算法对芯部测地声模进行了实验研究。本论文在J-TEXT托卡马克的偏压约束改善实验中利用静电探针阵列,研究了带状流和湍流的相互作用,取得以下主要结果：1.通过测量其各自的环向,极向模数以及模频率证实了这两种相干模分别为LFZF和GAM。首次在偏压约束改善实验中观测到测地声模。2.利用四探针进一步分析了两种带状流对径向粒子通量的抑制作用,发现偏压约束改善期间,极向波数kθ在低频区域(50kHz)几乎为零,对降低径向粒子输运起到关键作用。3.在对比湍流增长率(γAT=2.1×106s-1)与偏压电极所产生的平衡剪切率(ωE×B,Biasing=1.5×106s-1)后发现,单独考虑偏压电极所产生的平衡剪切率是不足以抑制湍流增长的,只有同时考虑带状流所产生的剪切率(γE×B,GAM=0.71×106s-1)后,两者剪切率之和才超过湍流的增长率。该实验结果对理解L-H模转换机理的研究有重要意义,表明带状流在偏压约束改善中的重要作用。低约束模向高约束模转换过程中背景湍流产生带状流,带状流不产生径向输运,且通过剪切作用抑制背景湍流,达到改善约束的效果：在研究中还发现,径向电场剪切是抑制背景湍流实现约束改善的主要原因,带状流的剪切效果也有很重要的作用。本论文的另一个工作是使用瞬时频率法研究芯部测地声模的模特征并拓展散射诊断方法的适用性。在托卡马克等离子体中,等离子体的旋转速度通常是远大于湍流在等离子体坐标系中的本征模旋转速度。对于使用散射原理进行测量的诊断,获得数据中所包含的多普勒频移项通常占主导。而瞬时频率法就是利用这一特点,从密度涨落信号中提取等离子体极向旋转速度信息。本论文利用HT-7托卡马克上二氧化碳激光相干散射得到的密度涨落数据,通过瞬时频率算法,计算出极向电漂移速度,从而得到了芯部的电场强度。该工作获得如下结果：1.编写瞬时频率算法,成功从密度涨落信号中提取速度信息；2.通过对极向距离180度的两组速度进行相关分析,证实了在欧姆放电下观察到的相干模具有极向对称性。并通过对比理论GAM模频率证实了该相干模为测地声模。3.同时也通过噪声分析等手段验证了该方法的可行性。瞬时频率法巧妙的从密度涨落数据中得到了电场信息,拓展了此类诊断的功能。
[Abstract]:In this paper , two branches of zonal flow are studied by means of nonlinear three - wave interaction , namely , low frequency band flow ( LFZF ) and finite frequency band flow . In this paper , it is found that radial electric field shearing is the main reason for restraining the improvement of confinement of background turbulence . The other work of this paper is to use instantaneous frequency method to study the mode characteristics of the acoustic mode and to expand the applicability of the dispersion diagnosis method .
2 . Through the correlation analysis of the two groups of velocity of the polar distance of 180 degrees , it is proved that the coherent die observed under the ohmic discharge has a polar symmetry , and the feasibility of the method is verified by means of the comparison theory of the theoretical model frequency . The method is also verified by noise analysis and so on . The instantaneous frequency method skillfully obtains the electric field information from the density fluctuation data , and expands the function of the diagnosis .

【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】：2016
【分类号】：O53

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