【摘要】：在托卡馬克等離子體物理中,高約束模是人們認(rèn)為最有可能實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)的約束模式。但是,低約束模向高約束模的轉(zhuǎn)換機(jī)制、轉(zhuǎn)換閾值等問題至今沒有答案,多種多樣的磁流體不穩(wěn)定性(包括鋸齒不穩(wěn)定性、撕裂模、交換模、氣球模等)更是加深了高約束模等離子體物理的復(fù)雜性。所以,研究高約束模等離子體物理是一個(gè)非常重要的課題。理解高溫等離子體物理機(jī)制,首先要做的就是探測等離子體中電子溫度、離子溫度、密度、電流、旋轉(zhuǎn)速度等放電參數(shù),以及各種磁流體不穩(wěn)定性的現(xiàn)象特征。電子回旋輻射成像系統(tǒng)是一種先進(jìn)的二維成像診斷,具有很高的時(shí)間分辨和空間分辨,并且可以覆蓋托卡馬克小截面上的較大范圍。電子回旋輻射成像診斷可以提供真實(shí)、局域的電子溫度漲落圖像,與傳統(tǒng)的一維診斷(如電子回旋輻射計(jì))和二維診斷(如軟X射線層析反演成像診斷)相比具有更多的優(yōu)勢。本文在第二章中簡單介紹了電子回旋輻射成像的基本原理以及其硬件系統(tǒng),同時(shí)也詳細(xì)介紹了在電子回旋輻射成像診斷搭建過程中的工作細(xì)節(jié)和注意事項(xiàng)。本章也討論了 J-TEXT裝置上三維電子回旋輻射成像診斷的設(shè)計(jì)與搭建,最后展示了鋸齒先兆模的三維螺旋對稱性結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)證據(jù)。本文在第三章中重點(diǎn)討論了電子回旋輻射成像對混合鋸齒、m/n = 2/1模結(jié)構(gòu)、等離子體破裂等物理現(xiàn)象。與普通鋸齒周期相比,混合鋸齒包含爬升期、部分破裂、再爬升期、完全破裂等四個(gè)階段。電子回旋輻射成像診斷觀測到了混合鋸齒四個(gè)階段的詳細(xì)演化過程,尤其是對部分破裂和完全破裂兩個(gè)過程。本人充分利用了 EAST裝置上電子回旋輻射成像診斷大范圍觀測區(qū)域的優(yōu)勢,通過求得q = 1面以內(nèi)所有像素點(diǎn)的溫度漲落總和,得到了混合鋸齒中部分破裂和完全破裂過程中能量傳出q = 1面的比例。利用這種方法,本人提出了新的鋸齒崩塌時(shí)間定義:在一個(gè)鋸齒周期內(nèi),芯部(q = 1面以內(nèi))電子溫度漲落總和最大值與最小值之間的時(shí)間差。利用這種方法,對鋸齒崩塌時(shí)間、鋸齒周期、鋸齒崩塌過程中能量損失等鋸齒特征進(jìn)行了大量統(tǒng)計(jì)。在統(tǒng)計(jì)過程中,發(fā)現(xiàn)了幾種異常的鋸齒崩塌過程,為理論研究鋸齒崩塌行為提供了新的實(shí)驗(yàn)素材。對等離子體破裂的研究過程中,電子回旋輻射成像診斷觀測到了完整的破裂過程,尤其是破裂前的2/1模結(jié)構(gòu)、頻率等特征的時(shí)間演化過程。電子回旋輻射成像診斷對2/1模結(jié)構(gòu)演化、磁島寬度變化的觀測,補(bǔ)充了等離子體破裂前2/1模的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。同時(shí),本文還發(fā)現(xiàn)2/1模的出現(xiàn),對芯部電子溫度剖面和電流剖面的平坦化有一定影響,也與芯部雜質(zhì)輻射能量的減小相關(guān);中子輻射通量的減小表明2/1�？赡茉斐呻x子溫度的下降。這些現(xiàn)象也許都可以作為2/1模出現(xiàn)的預(yù)兆現(xiàn)象,進(jìn)而對等離子體破裂的預(yù)測提供新的線索。除此之外,電子回旋輻射成像診斷還清楚地觀測到了垂直不穩(wěn)定性中等離子體中心的移動(dòng)過程,給出了等離子體中心的運(yùn)動(dòng)軌跡。托卡馬克高約束模臺基區(qū)物理現(xiàn)象非常復(fù)雜且難以理解,尤其是邊界局域模,不僅種類繁多,而且伴隨著各種各樣的磁流體不穩(wěn)定性。本文在第四章中首先簡單介紹了邊界相干模的分類及其理論,隨后重點(diǎn)分析了電子回旋輻射計(jì)在等離子體邊界的應(yīng)用。雖然,電子回旋輻射成像診斷在等離子體邊界的應(yīng)用受到非光學(xué)厚的制約,對診斷信號的解釋比較復(fù)雜;但是,一般認(rèn)為此時(shí)的電子回旋輻射強(qiáng)度不在單純是當(dāng)?shù)仉娮訙囟鹊暮瘮?shù),而是同時(shí)包含當(dāng)?shù)仉娮訙囟群碗娮用芏刃畔?即電子回旋輻射成像診斷給出的是輻射溫度(非電子溫度)的相對漲落。在2014年EAST實(shí)驗(yàn)中,電子回旋輻射成像診斷在同電流方向中性束注入加熱下觀測到一種準(zhǔn)相干模,并對該模式的特征進(jìn)行詳細(xì)的分析和討論。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),這種相干模只出現(xiàn)在高約束模的臺基區(qū)(最后閉合磁面以內(nèi)),模結(jié)構(gòu)是典型的類氣球模結(jié)構(gòu),且磁島寬度只有4cm左右。通過電子回旋輻射成像診斷的動(dòng)畫觀測,該相干模在實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系下沿電子逆磁方向旋轉(zhuǎn)。在無邊界局域模高約束模期間,相干模頻率從45kHz下降到15kHz左右,同時(shí)相干模幅度增大、波長增大(即極向模數(shù)減小),并且該模式在實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)下的相速度也在減小。在有邊界局域模高約束模期間,邊界局域模破裂間隙也存在類似的相干模,由于其結(jié)構(gòu)、頻率、旋轉(zhuǎn)、局域性等模式特征都與無邊界局域模高約束模期間的相干模一樣,所以二者應(yīng)屬于同一種物理模式。本文根據(jù)偏濾器Dα信號定義了 “小邊界局域模破裂”和“大邊界局域模破裂”,并利用互相關(guān)的方法給出最后閉合磁面內(nèi)外兩道電子回旋輻射成像診斷信號的互相關(guān)系數(shù),以此判斷兩種邊界局域模破裂過程中的能量損失;同時(shí),利用成像的方法,對兩種破裂過程的二維結(jié)構(gòu)演化進(jìn)行了詳細(xì)的觀測。最后,本文在第五章中對以上工作做了簡單總結(jié)。前景展望部分討論了EAST裝置上電子回旋輻射成像診斷的不足之處,并且給出了潛在的改善方案。對于尚待挖掘的ECEI數(shù)據(jù),大數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)的方法可以被借鑒,來快速判斷電子回旋輻射成像診斷數(shù)據(jù)中信號道質(zhì)量,以及鋸齒行為的出現(xiàn)情況。更重要的是,利用這種方法可以得到某些物理現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,對這些物理現(xiàn)象的理解有很大的幫助。通過深入挖掘數(shù)據(jù),相信電子回旋輻射成像系統(tǒng)能夠?yàn)榇偶s束聚變等離子體物理做出更多貢獻(xiàn)。
【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】：2017
【分類號】：TL631.24
【圖文】：

逡逑的反應(yīng)界面要比其他反應(yīng)大得多（如圖１．２）邋［１］。盡管如此，燃料溫度也要加逡逑熱到ｌＯｋｅＶ，即上億攝氏度才能滿足聚變條件。此時(shí)，燃料全部電離，形成等逡逑離子體（物質(zhì)的第四態(tài)，其他三態(tài)分別為固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)等）。任何物質(zhì)都逡逑不能容納如此高溫度的等離子體，所以必須尋找其他的約束方法，既使得等逡逑離子體不與任何物質(zhì)接觸，又可以在有限空間內(nèi)對等離子體進(jìn)行加熱。托卡逡逑馬克（Ｔｏｋａｍａｋ）應(yīng)運(yùn)而生，其名字來源于俄語中的環(huán)形（Ｔｏｒｏｉｄａｌ）、真空室逡逑（Ｋａｍｅｒａｌ）、磁（Ｍａｇｎｉｔ）、線圈（Ｋｏｔｕｓｈｋａ）。在托卡馬克中，等離子體被磁場逡逑約束在環(huán)向區(qū)域內(nèi)，并維持較長時(shí)間的運(yùn)動(dòng)而不打在真空壁上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)聚變逡逑反應(yīng)

逡逑的反應(yīng)界面要比其他反應(yīng)大得多（如圖１．２）邋［１］。盡管如此，燃料溫度也要加逡逑熱到ｌＯｋｅＶ，即上億攝氏度才能滿足聚變條件。此時(shí)，燃料全部電離，形成等逡逑離子體（物質(zhì)的第四態(tài)，其他三態(tài)分別為固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)等）。任何物質(zhì)都逡逑不能容納如此高溫度的等離子體，所以必須尋找其他的約束方法，既使得等逡逑離子體不與任何物質(zhì)接觸，又可以在有限空間內(nèi)對等離子體進(jìn)行加熱。托卡逡逑馬克（Ｔｏｋａｍａｋ）應(yīng)運(yùn)而生，其名字來源于俄語中的環(huán)形（Ｔｏｒｏｉｄａｌ）、真空室逡逑（Ｋａｍｅｒａｌ）、磁（Ｍａｇｎｉｔ）、線圈（Ｋｏｔｕｓｈｋａ）。在托卡馬克中，等離子體被磁場逡逑約束在環(huán)向區(qū)域內(nèi)，并維持較長時(shí)間的運(yùn)動(dòng)而不打在真空壁上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)聚變逡逑反應(yīng)

逑其中＇＾１１和＾分別是Ｄ、Ｔ的密度，ｅ是每次聚變反應(yīng)釋放的能量，0？是反應(yīng)截逡逑面，〈（ＴＵ〉隨等離子體溫度的變化如圖１．３所示�？偟碾x子密度為逡逑ｎ邋＝邋ｎｄ邋＋邋ｎｔ逡逑則方程（１．２）可以寫成：逡逑ＰＴｎ邋＝邋ｎｄ（ｎ－ｎｄ）（（ｊｕ）￡逡逑易知，當(dāng)ｎｄ＝ｎｔ邋＝邋｝ｎ時(shí)，熱核功率取得極大值，即逡逑ＰＴｎ邋＝邋＾ｎ２（ｃｒｕ）￡邐（１－３）逡逑￣邋Ｍ＇ｌｒ＇［邋ｎｉＴＴＩＩ￣邋Ｉ邋ｆ＇［ｆＴＴ逡逑４邋ｒｔ－Ｊｔ邋邋邋邋邐＿邋＿邋？逡逑Ｉ邋Ｋ邋Ｉ邋－邋■—邋邋邋邋—邋邋—邋邋邋—邋邋邋＾■一—邋－－－—邋—－一邋－邋丨一邋ｍ邋－逡逑＿＿＿＿＿＿逡逑卜＝＝：：＝－－二＝ｐｆ＝＝千卜：－｛邐邐逡逑｛＜ｆｙ）邐１邐ｐ邋二ＩＩ邋二＝二逡逑（ｍ３Ｓ，二二二：■．二——：邐邐逡逑－ｆ－／邋＋邐１邐逡逑Ｋ＾３邋＝＝：邋＝邋＾：邋＝邋＝邋＾＝－ｚ：：邋—邋＝邋＝邋＝邋ｚｚｚ：：逡逑媝＿＿＿：a擼誨義希椋潁簦玻村危咤危戾危殄危懾五義希卞澹保板澹保埃板澹保埃埃板義希潁ǎ耄悖鄭╁義賢跡保沖澹模苑從χ械壤胱猶邐露齲裕摺矗媯媯簦島煎義嫌捎讜諭鋅砜酥械壤胱猶宕嬖誆豢殺苊獾哪芰克鶚�，眳Q胗靡歡ǖ母ㄖ義霞尤仁侄謂忻植埂Ｒ話闈榭魷攏壤胱猶宸硬６嚷植跡菽芰烤皺義隙ɡ�，温度为Ｔ时乞滪能琳n媯裕渲械模緣牡ノ晃繾臃澹�。又因为等离辶x獻(xiàn)猶逯兇賈行蘊(yùn)跫偕柘攏繾郵屠胱郵鞠嗟齲緣ノ惶寤詰壤胱渝義咸迥芰課常睿浴Ｔ虻壤胱猶遄苣芰課義希族澹藉澹叔澹

本文編號：2775256