電子密度、電流密度及其分布是研究托卡馬克裝置等離子體約束和輸運(yùn)、MHD(magnetohydrodynamic)不穩(wěn)定性等行為的關(guān)鍵參數(shù)。電子密度、電流密度的有效測量和分布的獲得對托卡馬克裝置實驗至關(guān)重要。遠(yuǎn)紅外激光診斷系統(tǒng)是托卡馬克裝置測量等離子體線積分電子密度和法拉第旋轉(zhuǎn)角的有效方法,利用測得的數(shù)據(jù)再結(jié)合適當(dāng)?shù)姆囱莘椒?可以給出等離子體電子密度分布和磁場信息。目前,在東方超環(huán)EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)上有兩套可以測量等離子體線積分電子密度的診斷,包括氰化氫(HCN)干涉儀系統(tǒng)和POINT(polarimeter/interferometer)偏振干涉儀系統(tǒng),分別測量垂直(3道)和水平(11道)方向的線積分電子密度值。此外,POINT系統(tǒng)還可以測量等離子體的法拉第旋轉(zhuǎn)信息。EAST裝置偏振干涉儀系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷了兩個階段。2015年之前,POINT系統(tǒng)包含5道測量道。我們利用該系統(tǒng)測得的線積分電子密度數(shù)據(jù),結(jié)合EAST裝置上微波反射儀系統(tǒng)測得的邊界電子密度剖面,發(fā)展了一套基于PARK矩陣(PARK-matrix)方法的密度反演程序,獲得了準(zhǔn)確的電子密度分布。2015年以后,POINT系統(tǒng)測量道增加到11道,本文基于升級后的系統(tǒng)對密度反演方法進(jìn)行了進(jìn)一步的升級和優(yōu)化。特別是通過對微波反射儀系統(tǒng)數(shù)據(jù)和POINT系統(tǒng)數(shù)據(jù)的標(biāo)定與統(tǒng)計,獲得了在等離子體邊界POINT系統(tǒng)測量道無法覆蓋的區(qū)域的線積分電子密度值與POINT系統(tǒng)第一和第十一兩道測量值之間的系數(shù)關(guān)系,利用這個系數(shù)關(guān)系對電子密度反演過程中邊界區(qū)域部分的電子密度剖面加強(qiáng)了約束。在升級的密度反演程序中,密度的輸入數(shù)據(jù)減少為僅需要POINT診斷系統(tǒng)提供,同時保證了計算結(jié)果的精度。此外,計算過程中優(yōu)化了密度剖面反演程序中數(shù)據(jù)的輸入步驟,對實驗數(shù)據(jù)中存在的零漂、診斷數(shù)據(jù)缺失等都進(jìn)行了考慮,使整個程序更加的便捷和人性化。在EAST裝置發(fā)展高參數(shù)運(yùn)行過程中,利用獲得的高時間分辨率、高精度的電子密度分布,研究了內(nèi)部輸運(yùn)壘(internal transport barrier,ITB)形成和崩塌過程中密度剖面的變化。將密度對位置進(jìn)行求導(dǎo)處理,進(jìn)一步定量地研究了這一物理現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展過程,為內(nèi)部輸運(yùn)壘的研究提供了重要的支持。從高時間分辨率、高精度的電子密度分布出發(fā),進(jìn)一步完善了 EAST裝置上電流密度分布反演,獲得了更加精確的電流密度分布結(jié)果。通過外部磁測量得到的數(shù)據(jù)結(jié)合EFIT(equilibrium fit)平衡反演程序可以給出初始的等離子體磁面和電流密度分布信息,再通過加入POINT系統(tǒng)測量的法拉第旋轉(zhuǎn)信息,可以對芯部區(qū)域的等離子體信息進(jìn)行補(bǔ)充和完善,進(jìn)一步加強(qiáng)約束,提高計算結(jié)果的精度。對于修正方法里面極向磁通(磁場)的修正過程,不依賴EFIT程序進(jìn)行迭代,而是更加關(guān)注局域區(qū)域的修正。在EAST裝置上開展的高歸一化比壓的物理實驗中,利用POINT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對ITB形成和崩塌過程中電子密度分布進(jìn)行了演化,同時用法拉第旋轉(zhuǎn)信息對安全因子(q)剖面進(jìn)行了約束,結(jié)合試驗中特殊的物理現(xiàn)象——鋸齒和魚骨模不穩(wěn)定性,對修正后的安全因子剖面進(jìn)行了校核,結(jié)果顯示,計算結(jié)果與對應(yīng)的物理現(xiàn)象可以很好地吻合,驗證了該方法的可行性。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TL631.24
【部分圖文】：

圖１．２托卡馬克裝置示意圖??在上個世紀(jì)５０年代，由蘇聯(lián)的科學(xué)家發(fā)明了托卡馬克（Ｔｏｋａｍａｋ）裝置。如??圖１．２所示，托卡馬克裝置中環(huán)向場（縱場）線圈產(chǎn)生的磁場和等離子體自身電??流產(chǎn)生的磁場疊加后形成了螺旋形的磁力線將等離子體約束在真空室內(nèi)，并利用??極向場線圈進(jìn)行等離子體位形的控制。中間的歐姆線圈對等離子體進(jìn)行加熱，但??是由于線圈的伏秒數(shù)有限，因此歐姆加熱的方式不能持續(xù)地為等離子體進(jìn)行加熱，??并且其加熱能力也很有限，所以現(xiàn)在的大多數(shù)托卡馬克裝置都有外部的輔助加熱??系統(tǒng)，最常見的有低雜波（ｌｏｗｅｒｈｙｂｒｉｄｗａｖｅ，ＬＨＷ）［６］，中性束注入（ｎｅｕｔｒａｌｂｅａｍ??ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ，?ＮＢＩ）【７］，電子回旋共振（ｅｌｅｃｔｒｏｎ?ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ?ｒｅｓｏｎａｎｃｅ?ｈｅａｔｉｎｇ，?ＥＣＲＨ）??［８】，離子回旋共振（ｉｏｎ?ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ?ｒｅｓｏｎａｎｃｅ?ｈｅａｔｉｎｇ，?ＩＣＲＨ）【９］等系統(tǒng)，通過這些系??統(tǒng)將真空室內(nèi)的等離子體加熱到足夠高的溫度從而進(jìn)行核聚變反應(yīng)。??１．２?ＥＡＳＴ全超導(dǎo)托卡馬克裝置??從上個世紀(jì)５０年代開始

??裝置正式投入運(yùn)行，圖１．３即為ＥＡＳＴ全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克裝置。??圖１．３?ＥＡＳＴ全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克裝置??ＥＡＳＴ裝置的主要參數(shù)如下：主機(jī)部分直徑約為８米，高度約為１１米，總??質(zhì)量約為４００噸，縱場Ｂｔ由１６個Ｄ形的超導(dǎo)磁體產(chǎn)生，其強(qiáng)度最大可達(dá)到３．５??特斯拉，等離子體大半徑Ｒ￣?１．９米，小半徑ａ?￣?０．４５米，對于偏濾器位形的放??電，等離子體的總體積約為１０立方米。ＥＡＳＴ裝置到目前己經(jīng)投入運(yùn)行了?１１年，??期間對裝置內(nèi)部部件以及外部的加熱和診斷等多個系統(tǒng)都進(jìn)行了調(diào)整、優(yōu)化和升??級，目前ＥＡＳＴ已經(jīng)具備了較為完善的輔助加熱和電流驅(qū)動系統(tǒng)以及診斷系統(tǒng)，??能夠開展豐富的物理實驗。在己經(jīng)進(jìn)行的多輪試驗中，從２０１０年第一次出現(xiàn)Ｈ??模（Ｈ－ｍｏｄｅ）【＂］，到后來的３２秒Ｈ模［１２］、６０秒Ｈ�！荆保常�，再到目前仍然保持著??世界紀(jì)錄的１０１．２秒Ｈ模［１４】

??裝置正式投入運(yùn)行，圖１．３即為ＥＡＳＴ全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克裝置。??圖１．３?ＥＡＳＴ全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克裝置??ＥＡＳＴ裝置的主要參數(shù)如下：主機(jī)部分直徑約為８米，高度約為１１米，總??質(zhì)量約為４００噸，縱場Ｂｔ由１６個Ｄ形的超導(dǎo)磁體產(chǎn)生，其強(qiáng)度最大可達(dá)到３．５??特斯拉，等離子體大半徑Ｒ￣?１．９米，小半徑ａ?￣?０．４５米，對于偏濾器位形的放??電，等離子體的總體積約為１０立方米。ＥＡＳＴ裝置到目前己經(jīng)投入運(yùn)行了?１１年，??期間對裝置內(nèi)部部件以及外部的加熱和診斷等多個系統(tǒng)都進(jìn)行了調(diào)整、優(yōu)化和升??級，目前ＥＡＳＴ已經(jīng)具備了較為完善的輔助加熱和電流驅(qū)動系統(tǒng)以及診斷系統(tǒng)，??能夠開展豐富的物理實驗。在己經(jīng)進(jìn)行的多輪試驗中，從２０１０年第一次出現(xiàn)Ｈ??模（Ｈ－ｍｏｄｅ）【＂］，到后來的３２秒Ｈ模［１２］、６０秒Ｈ�！荆保常�，再到目前仍然保持著??世界紀(jì)錄的１０１．２秒Ｈ模［１４】
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2836996