【摘要】：在磁約束聚變等離子體中,微觀湍流及其引起的反常輸運(yùn)是限制等離子體約束性能的重要因素之一。具有高時(shí)空分辨能力的二維診斷系統(tǒng)對(duì)于微觀湍流的研究大有裨益。本人博士期間在HL-2A裝置上研制了一套二維、多通道的束發(fā)射譜(Beam Emission Spectroscopy,BES)診斷系統(tǒng),并使用二維BES診斷對(duì)HL-2A及DⅢ-D裝置高約束放電模式下邊緣湍流的特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。HL-2A上BES系統(tǒng)通過測(cè)量中性束與等離子體碰撞后輻射出的特征譜線(Dα線)的強(qiáng)度擾動(dòng),給出二維空間內(nèi)電子密度的漲落信息。BES系統(tǒng)包括收集光路、傳輸光路、光電轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集幾大部分,設(shè)計(jì)時(shí)充分結(jié)合HL-2A裝置的位形及參數(shù)特征。診斷窗口位于中性束左側(cè)下方,沿磁力線切向方向斜向上觀察中性束�？馆椛�、高通過性的鏡頭組由直徑18cm物鏡和10cm目鏡構(gòu)成,安裝在真空室內(nèi),以4:1倍率將徑向r=12cm～44cm,極向z=-7.5cm～7.5cm的二維空間成像于BES窗口外側(cè)。BES窗口外側(cè)的二維光纖支架覆蓋整個(gè)像面,方便光纖束的固定及排布。高度定制化的多模石英光纖束作為高效的傳輸光路,光纖的數(shù)值孔徑高達(dá)0.37,傳輸效率高于95%。光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中使用2 nm窄帶濾波片篩選目標(biāo)譜線;選用帶PIN結(jié)的光電二極管探測(cè)器(PPD)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào),并由四級(jí)放電電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并放大;合適的冷卻保證光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低噪聲、高量子效率的測(cè)量。多通道同步采集系統(tǒng)以2MHz的速率對(duì)所有信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化、采集并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)。BES系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段:第一階段安裝光路并與16通道探測(cè)器構(gòu)成了原型系統(tǒng),實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)合理;第二階段在原型系統(tǒng)基礎(chǔ)上改善了光纖及光纖支架的設(shè)計(jì),并將系統(tǒng)拓展至32個(gè)通道,實(shí)現(xiàn)了湍流的二維測(cè)量;第三階段完成首創(chuàng)的集成式探測(cè)器的加工和測(cè)試,信噪比和帶寬進(jìn)一步提升,系統(tǒng)也升級(jí)至48通道。在HL-2A裝置上,32通道的BES系統(tǒng)在L-H轉(zhuǎn)換前清楚觀測(cè)到二維湍流結(jié)構(gòu)及其隨時(shí)間的演化情況。在DⅢ-D裝置Super H模放電中,二維BES診斷系統(tǒng)在臺(tái)基頂部觀測(cè)到頻率為60kHz～200kHz離子側(cè)湍流和300kHz～450kHz的電子側(cè)寬頻湍流。利用BES診斷計(jì)算出兩種模式的相關(guān)長(zhǎng)度、極向速度等特征參數(shù),結(jié)合回旋動(dòng)理學(xué)程序GYRO的模擬結(jié)果分析,低頻模式應(yīng)為離子溫度梯度模(Ion Temperature Gradient Mode),而高頻模式可能為微撕裂模(Micro-tearing Mode)。目前HL-2A裝置上的BES診斷系統(tǒng)已經(jīng)拓展至48通道,具備了二維湍流測(cè)量的能力。系統(tǒng)時(shí)間分辨為0.5μs,徑向空間分辨為1cm,極向分辨為1.2cm;對(duì)于中頻段20～100kHz的湍流,系統(tǒng)的信噪比達(dá)到100,而有效的頻率測(cè)量帶寬為200kHz。這樣的性能處于先進(jìn)水平,能夠?yàn)镠L-2A上L-H轉(zhuǎn)換、湍流能量傳遞、湍流與帶狀流的相互作用等物理問題的研究提供有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。二維BES診斷在HL-2A和DⅢ-D裝置上高約束模式下湍流的研究結(jié)果,有助于理解湍流與臺(tái)基區(qū)物理以及與約束改善的關(guān)系,可為未來的高約束放電提供指導(dǎo)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TL631.24
【圖文】：

合肥等離子體物理研究所的全超導(dǎo)托卡馬克“東方超環(huán)”（ＥＡＳＴ）邐以及華逡逑中科技大學(xué)的“聯(lián)合實(shí)驗(yàn)托卡馬克”（】－１￡NB１）【１１】三個(gè)中大型托卡馬克實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，逡逑分別如圖１．２、１．３、１．４所示。另外，核工業(yè)西南物理研究院正在組裝的新托卡馬逡逑克裝置ＨＬ－２Ｍ［１２】，預(yù)期在２０１９年實(shí)現(xiàn)第一次等離子體放電運(yùn)行，屆時(shí)會(huì)在某些逡逑關(guān)鍵參數(shù)上實(shí)現(xiàn)一定的突破。表１．２列舉了國(guó)內(nèi)主要托卡馬克裝置的部分參數(shù)。逡逑除此之外，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的反場(chǎng)環(huán)裝置“科大一環(huán)”（ＫＴＸ）ＩＷ、清華大逡逑學(xué)的“中國(guó)聯(lián)合球形托卡馬克”（ＳＵＮＩＳＴ）［１４１等裝置也在為中國(guó)的磁約束核聚變逡逑相關(guān)研宄及聚變?nèi)瞬诺呐囵B(yǎng)做出貢獻(xiàn)。逡逑４逡逑

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本文編號(hào)：2743407