【摘要】：鋸齒是一種發(fā)生在等離子體芯部的宏觀磁流體不穩(wěn)定性,與q=1面以內(nèi)的磁擾動(電流擾動)相關(guān)。它會造成等離子體芯部參數(shù)的降低,破壞等離子體的約束性能,但同時又具備排除芯部雜質(zhì)的功能。為了將來能順利實(shí)現(xiàn)對鋸齒的精確控制以改善芯部等離子體約束,同時排除聚變反應(yīng)中生成的α粒子,需要對鋸齒行為過程中的粒子輸運(yùn)和磁擾動都展開進(jìn)一步的探測和研究。三波偏振干涉儀能夠同時測量電子密度和芯部磁場,而且具有很高的時間分辨率,如果能實(shí)現(xiàn)對鋸齒的觀測,無疑是用來開展這些研究的最佳探測手段。本人參與了J-TEXT偏振干涉儀的全部搭建工作,并通過對它測量精度的優(yōu)化成功實(shí)現(xiàn)了對鋸齒行為的測量。本文主要工作內(nèi)容有以下幾個方面： 消除振動影響是實(shí)現(xiàn)偏振干涉儀高精度測量的關(guān)鍵。根據(jù)在HCN干涉儀上進(jìn)行振動消除預(yù)實(shí)驗得到的經(jīng)驗,在J-TEXT偏振干涉儀設(shè)計和搭建時基于慣性抗振和介質(zhì)減振原理,合理配置大質(zhì)量基座以及橡膠隔振墊,并結(jié)合機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了對振動的有效衰減。之后又從診斷原理出發(fā),對參考道進(jìn)行了與探測道相同的布局,使殘余振動的影響在對它們求相位差時得到抵消。最終,振動的影響被減至噪聲水平,在電子線密度信號上為～1°(1.4×1016m-2),在法拉第旋轉(zhuǎn)角信號上為～0.1°。 共線是測量到準(zhǔn)確法拉第旋轉(zhuǎn)角的基本條件,也是實(shí)現(xiàn)三波偏振干涉儀的最大難點(diǎn)之一。由于等離子體密度的附加相位比法拉第旋轉(zhuǎn)角大約2個數(shù)量級,當(dāng)兩束測量光不共線時,會因為密度梯度的存在而給法拉第旋轉(zhuǎn)角帶來測量誤差。J-TEXT偏振干涉儀的共線調(diào)節(jié)通過使用激光光束分析儀完成,并在調(diào)節(jié)完成之后通過在光路中添加一個偏振片,將合束后的兩束圓偏振光調(diào)制成相同的線偏振光穿過等離子體,首次實(shí)現(xiàn)了對共線誤差的直接測量和優(yōu)化。 通過以上優(yōu)化,J-TEX偏振干涉儀成功在電子線密度和法拉第旋轉(zhuǎn)角信號上都準(zhǔn)確地測量到了鋸齒擾動。 由于偏振干涉儀測量到的是弦積分量,為得到電子密度、電流密度和安全因子的分布還需要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行反演。J-TEXT偏振干涉儀上發(fā)展了一套平衡反演程序,并在反演程序中對測量受折射效應(yīng)的影響做了修正,使得J-TEXT偏振干涉儀對電流密度的測量誤差在-0.6≤ρ≤0.6以內(nèi)都小于10%。這個結(jié)果同國際熱核聚變實(shí)驗堆(ITER)對它計劃發(fā)展的偏振干涉儀測量電流密度的精度要求是一致的。 利用偏振干涉儀測量的密度鋸齒和反演程序給出密度分布對鋸齒過程中的粒子輸運(yùn)進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明,鋸齒崩塌時等離子體芯部的粒子輸運(yùn)系數(shù)會爆發(fā)性地增加,靠近外側(cè)的粒子輸運(yùn)系數(shù)也會有相應(yīng)的增強(qiáng),由此才導(dǎo)致了芯部粒子密度分布變得平坦而靠近邊緣的密度變化不明顯；此外,鋸齒崩塌時將芯部粒子的向外輸運(yùn)只能到達(dá)q=2面,這也為將來通過鋸齒排除芯部α粒子提出了挑戰(zhàn)。 最后,對法拉第旋轉(zhuǎn)角鋸齒信號進(jìn)行了初步分析。對低場側(cè)相鄰兩道法拉第旋轉(zhuǎn)角信號上的反向突起的研究表明,這兩道之間存在的～5kA的局部擾動電流,方向與等離子體電流相同,擾動模數(shù)為n=0。此外J-TEXT偏振干涉儀法拉第旋轉(zhuǎn)角信號上展示出的鋸齒多樣性也表明,鋸齒過程中的磁擾動遠(yuǎn)比現(xiàn)有理論和想象中的復(fù)雜,對它的研究還需要在測量技術(shù)和理論模型上都進(jìn)行更加深入的開展。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TL631.24

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