發(fā)布時間：2020-07-06 08:32

【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是限制等離子體約束性能的重要因素之一。具有高時空分辨能力的二維診斷系統(tǒng)對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HL-2A及DⅢ-D裝置高約束放電模式下邊緣湍流的特征進行了實驗研究。HL-2A上BES系統(tǒng)通過測量中性束與等離子體碰撞后輻射出的特征譜線(Dα線)的強度擾動,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)計時充分結(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。抗輻射、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譜線;選用帶PIN結(jié)的光電二極管探測器(PPD)將光信號轉(zhuǎn)換為電流信號,并由四級放電電路轉(zhuǎn)換為電壓信號并放大;合適的冷卻保證光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實現(xiàn)低噪聲、高量子效率的測量。多通道同步采集系統(tǒng)以2MHz的速率對所有信號進行數(shù)字化、采集并存儲至數(shù)據(jù)庫。BES系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段:第一階段安裝光路并與16通道探測器構(gòu)成了原型系統(tǒng),實際測試驗證了設(shè)計合理;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,并將系統(tǒng)拓展至32個通道,實現(xiàn)了湍流的二維測量;第三階段完成首創(chuàng)的集成式探測器的加工和測試,信噪比和帶寬進一步提升,系統(tǒng)也升級至48通道。在HL-2A裝置上,32通道的BES系統(tǒng)在L-H轉(zhuǎn)換前清楚觀測到二維湍流結(jié)構(gòu)及其隨時間的演化情況。在DⅢ-D裝置Super H模放電中,二維BES診斷系統(tǒng)在臺基頂部觀測到頻率為60kHz～200kHz離子側(cè)湍流和300kHz～450kHz的電子側(cè)寬頻湍流。利用BES診斷計算出兩種模式的相關(guān)長度、極向速度等特征參數(shù),結(jié)合回旋動理學(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,具備了二維湍流測量的能力。系統(tǒng)時間分辨為0.5μs,徑向空間分辨為1cm,極向分辨為1.2cm;對于中頻段20～100kHz的湍流,系統(tǒng)的信噪比達到100,而有效的頻率測量帶寬為200kHz。這樣的性能處于先進水平,能夠為HL-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驗數(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】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：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)合實驗托卡馬克”（】－１￡NB１）【１１】三個中大型托卡馬克實驗平臺，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年實現(xiàn)第一次等離子體放電運行，屆時會在某些逡逑關(guān)鍵參數(shù)上實現(xiàn)一定的突破。表１．２列舉了國內(nèi)主要托卡馬克裝置的部分參數(shù)。逡逑除此之外，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的反場環(huán)裝置“科大一環(huán)”（ＫＴＸ）ＩＷ、清華大逡逑學(xué)的“中國聯(lián)合球形托卡馬克”（ＳＵＮＩＳＴ）［１４１等裝置也在為中國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。逡逑４逡逑

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本文編號：2743407