托卡馬克等離子體中的雜質(zhì)會(huì)增大輻射損失,影響等離子體能量平衡和粒子平衡,使等離子體溫度下降,導(dǎo)致等離子體的約束性能變差,甚至出現(xiàn)破裂不穩(wěn)定性。對(duì)于聚變裝置,雜質(zhì)會(huì)稀釋聚變?nèi)剂?使聚變功率降低。因此有效控制托卡馬克等離子體中的雜質(zhì)行為是未來(lái)聚變堆高參數(shù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的關(guān)鍵之一。目前人們對(duì)托卡馬克中的雜質(zhì)行為還沒(méi)有一個(gè)清晰完整的認(rèn)識(shí),基于新經(jīng)典雜質(zhì)輸運(yùn)理論無(wú)法解釋現(xiàn)有裝置測(cè)量結(jié)果,主要是存在一個(gè)與湍流密切相關(guān)的反常輸運(yùn)。一般說(shuō)來(lái),反常輸運(yùn)的重點(diǎn)是考察橫越磁力線的徑向輸運(yùn)行為(在合適的條件下,可以認(rèn)為垂直輸運(yùn))。但在特定條件下,平行輸運(yùn)的貢獻(xiàn)會(huì)使雜質(zhì)分布變得更加復(fù)雜。因此在雜質(zhì)分布這一問(wèn)題上需要同時(shí)考慮平行輸運(yùn)和垂直輸運(yùn)的影響。本文以J-TEXT托卡馬克裝置為平臺(tái),實(shí)驗(yàn)研究了等離子體中低Z雜質(zhì)的行為特性。為了開(kāi)展雜質(zhì)相關(guān)研究,發(fā)展了一系列輻射和雜質(zhì)光譜診斷,具體分為:1.AXUV熱輻射診斷。它包括極向陣列和環(huán)向陣列兩部分,基于此診斷通過(guò)反演運(yùn)算可得到等離子體的熱輻射剖面及環(huán)向輻射的對(duì)稱(chēng)性信息;2.CⅢ光電二極管陣列診斷。其利用濾光片選取C Ⅲ特征線(464.7nm)并通過(guò)透鏡成像原理,可提供高/低場(chǎng)側(cè)和限制器的C Ⅲ輻射信息,用于分析C Ⅲ離子的行為;3.單色光成像診斷。可提供高/低場(chǎng)側(cè)特定波長(zhǎng)的輻射剖面,主要用于分析指定雜質(zhì)離子(如CV)的行為。本文主要實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容如下:(1)雜質(zhì)輻射行為研究。首先利用STRAHL代碼模擬輻射損失情況。結(jié)合模型計(jì)算的輸運(yùn)系數(shù),以及對(duì)AXUV探測(cè)器響應(yīng)度的修正,可以較好地重現(xiàn)了 AXUV診斷測(cè)量結(jié)果。不同密度下的雜質(zhì)輻射行為研究結(jié)果顯示:J-TEXT裝置上密度極限破裂前觀測(cè)到邊界冷卻現(xiàn)象,邊界碳雜質(zhì)輻射增強(qiáng),同時(shí)有邊緣非對(duì)稱(chēng)多層輻射現(xiàn)象(MARFE)出現(xiàn)。這個(gè)過(guò)程中輻射損失只占輸入功率的30%。通過(guò)注雜改變輻射損失,發(fā)現(xiàn)輻射損失與密度極限存在一個(gè)閾值。不同種類(lèi)的雜質(zhì)通過(guò)影響邊界輻射損失改變MARFE的行為,其原因可能是因冷卻輻射函數(shù)的改變。未發(fā)生MARFE時(shí),邊界區(qū)域也觀測(cè)到CⅢ輻射非對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象,且隨著密度增加而越發(fā)明顯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示它與碳源、平行輸運(yùn)和垂直輸運(yùn)行為密切相關(guān)。(2)雜質(zhì)輸運(yùn)行為研究。首先,通過(guò)碳雜質(zhì)診斷提供的剖面信息,利用STRAHL代碼計(jì)算得到了高/低場(chǎng)側(cè)碳雜質(zhì)輸運(yùn)系數(shù)。結(jié)果顯示高場(chǎng)側(cè)的擴(kuò)散系數(shù)小于低場(chǎng)側(cè),且隨著密度的增加,低場(chǎng)側(cè)擴(kuò)散減小。其次,為了解釋雜質(zhì)輻射的非對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象,從碳源、主離子與雜質(zhì)離子摩擦力以及離心力三個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)改變限制器的位置和主動(dòng)注雜的方式來(lái)研究局部碳源對(duì)碳雜質(zhì)分布非對(duì)稱(chēng)的影響,結(jié)果顯示碳源對(duì)C Ⅲ輻射環(huán)向非對(duì)稱(chēng)有明顯影響,但對(duì)于極向非對(duì)稱(chēng)無(wú)明顯影響。STRAHL模擬碳源影響的結(jié)果同實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果一致。不同環(huán)向位置的注雜結(jié)果也證實(shí)了這個(gè)結(jié)論。除了碳源以外,主離子與雜質(zhì)離子的摩擦力對(duì)C Ⅲ輻射極向非對(duì)稱(chēng)也起著重要作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示離子密度梯度和離子溫度梯度影響雜質(zhì)極向非對(duì)稱(chēng)性的大小和方向。離心力影響受限于等離子體轉(zhuǎn)動(dòng)速度,所以其影響較小,只有一些特殊放電中(如鎖模)才會(huì)有所體現(xiàn)。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類(lèi)】：TL631.24
【部分圖文】：

化學(xué)瓣射是指入射粒子與固體材料原子結(jié)合形成揮發(fā)性的分子化合物。逡逑這個(gè)過(guò)程主要發(fā)生在石墨和碳基復(fù)合材料中。例如氨離子或原子入射到碳基材料上容易逡逑形成碳氨化合物，而氧離子入射容易形成碳氧化合物。圖１－３所示的是不同溫度下不同逡逑能量的氨離子對(duì)石墨材料的化學(xué)瓣射產(chǎn)額影響。從圖中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度在９００邋Ｋ附近時(shí)，逡逑其產(chǎn)額最大，且隨入射氨離子能量的增大而表現(xiàn)出不同的變化。當(dāng)入射氨離子能量小于逡逑３邋ｋｅＶ時(shí)隨著能量的增大而化學(xué)瓣射產(chǎn)額減小。對(duì)比物理~J射，對(duì)于石墨或碳基材料而逡逑言，當(dāng)邊界溫度較高的等離子體（幾十電子伏特），物理瓣射占主導(dǎo)；反之，當(dāng)溫度較逡逑低時(shí)，化學(xué)瓣射占主導(dǎo)。對(duì)于化學(xué)瓣射的防護(hù)一般采用在石墨中慘入一些測(cè)，娃，鏡等逡逑元素的方法，可大幅度減小化學(xué)瓣射產(chǎn)額。逡逑解吸。通常固體表面會(huì)吸附一層來(lái)自周?chē)h(huán)境的氣體。不同吸附氣體與固體表面原逡逑子或分子的結(jié)合能也不盡相同，從物理吸附（０．３邋ｅＶ）到化學(xué)吸附（３邋ｅＶ）。這些吸附逡逑的氣體受到熱能影響

邐巧邐ｒＩ提Ｖ）邋化。０邋化。。0逡逑圖１－２筑離子對(duì)皺Ｂｅ，碳Ｃ，鶴Ｗ的雅射產(chǎn)額｝隨入射粒子能量的關(guān)系，實(shí)線是ＳＰＴＲＩＭ代碼模逡逑擬物理漲射結(jié)果巧逡逑化學(xué)~J射�；瘜W(xué)瓣射是指入射粒子與固體材料原子結(jié)合形成揮發(fā)性的分子化合物。逡逑這個(gè)過(guò)程主要發(fā)生在石墨和碳基復(fù)合材料中。例如氨離子或原子入射到碳基材料上容易逡逑形成碳氨化合物，而氧離子入射容易形成碳氧化合物。圖１－３所示的是不同溫度下不同逡逑能量的氨離子對(duì)石墨材料的化學(xué)瓣射產(chǎn)額影響。從圖中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度在９００邋Ｋ附近時(shí)，逡逑其產(chǎn)額最大，且隨入射氨離子能量的增大而表現(xiàn)出不同的變化。當(dāng)入射氨離子能量小于逡逑３邋ｋｅＶ時(shí)隨著能量的增大而化學(xué)瓣射產(chǎn)額減小。對(duì)比物理~J射，對(duì)于石墨或碳基材料而逡逑言，當(dāng)邊界溫度較高的等離子體（幾十電子伏特），物理瓣射占主導(dǎo)；反之，當(dāng)溫度較逡逑低時(shí)，化學(xué)瓣射占主導(dǎo)。對(duì)于化學(xué)瓣射的防護(hù)一般采用在石墨中慘入一些測(cè)，娃，鏡等逡逑元素的方法，可大幅度減小化學(xué)瓣射產(chǎn)額。逡逑解吸。通常固體表面會(huì)吸附一層來(lái)自周?chē)h(huán)境的氣體。不同吸附氣體與固體表面原逡逑子或分子的結(jié)合能也不盡相同

華中科技大學(xué)博去學(xué)位論文逡逑馬克等離子體雜質(zhì)研究過(guò)程中，首先開(kāi)展的是能量平衡相關(guān)研究。和能量平衡的影響，可１＾＾吏我們更深入的理解等離子體約束，粒子的物理機(jī)理。特別是對(duì)于等離子體邊界物理，由于托卡馬克裝置上體與壁相互作用，那么這部分雜質(zhì)如何從邊界進(jìn)入等離子體內(nèi)部進(jìn)，怎樣才能有效的避免或減小雜質(zhì)的產(chǎn)生，如何利用調(diào)制手段將雜是雜質(zhì)研究中的重要問(wèn)題。逡逑ｌ00￣＝

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