本文關(guān)鍵詞：直線磁化裝置中漂移波湍流—帶狀流系統(tǒng)的自調(diào)節(jié)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：本文主要研究了在直線磁化等離子體裝置中,存在的一種由漂移波湍流自發(fā)產(chǎn)生的電勢(shì)漲落結(jié)構(gòu)：帶狀流(zonal flow).理論研究表明,在環(huán)位型等離子體中,帶狀流具有極向和環(huán)向?qū)ΨQ,而徑向波數(shù)有限的特殊空間結(jié)構(gòu)。帶狀流存在兩個(gè)分支：測(cè)地聲模(Geodesic Acoustic Mode,簡稱為GAM)和低頻帶狀流(Low Frequency Zonal Flow,簡稱LFZF).其中GAM是帶狀流在環(huán)形效應(yīng)下耦合產(chǎn)生的。 理論和模擬研究表明：帶狀流從背景湍流中獲得能量,進(jìn)而降低湍流的幅度；同時(shí)又通過E×B剪切調(diào)制背景湍流,從而降低湍流的徑向相關(guān)長度,這兩個(gè)過程都起到了抑制湍流幅度和橫越磁場(chǎng)的輸運(yùn),改善約束效果的作用。漂移波湍流和帶狀流整體構(gòu)成了一個(gè)自調(diào)節(jié)的體系,稱為漂移波-帶狀流系統(tǒng),這個(gè)概念現(xiàn)在已經(jīng)被廣為接受。因此,在磁約束聚變領(lǐng)域中,帶狀流扮演著一個(gè)極其重要的角色。 與托卡馬克,仿星器等大型磁約束實(shí)驗(yàn)裝置相比,直線磁化等離子體裝置是一種相對(duì)小型的磁約束裝置。這類裝置通常具有較為簡單和便于分析的磁場(chǎng)位型,裝置操作和等離子體參數(shù)全面測(cè)量也比較簡單等優(yōu)點(diǎn),有利于很多基礎(chǔ)物理問題更加深入的實(shí)驗(yàn)研究。目前國際上仍舊有許多此類的裝置維持運(yùn)行,并且獲得了很多重要的物理結(jié)果。 直線磁化等離子體裝置(Linear Magnetic Plasma Device,簡稱LMPD)是由中國科學(xué)院基礎(chǔ)等離子體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自發(fā)設(shè)計(jì)和安裝。在該裝置中,筆者發(fā)現(xiàn)隨著實(shí)驗(yàn)區(qū)背景磁場(chǎng)的逐漸增加,獲得了含有密度梯度驅(qū)動(dòng)的漂移波相干模諧波的寬譜湍流,并且?guī)盍麟S之出現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上,通過安排朗繆爾探針陣列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了帶狀流具有完全符合理論和模擬工作所預(yù)言的低頻帶狀流的模特征,即角向模數(shù)m=0,軸向平行波數(shù)k｜｜=0,而徑向波數(shù)有限kr(?)0.15cm-1,△kr(?)1.14cm-1,并且中心模頻率接近為0。 通過對(duì)不同磁場(chǎng)下角向間隔為π的懸浮電位互功率譜密度進(jìn)行洛倫茲型分布函數(shù)擬合的結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn)在B=480～940Guass這樣一段磁場(chǎng)范圍內(nèi),所得的半高寬參數(shù)變化很小,這說明在磁場(chǎng)變化時(shí),帶狀流的阻尼率幾乎保持不變。帶入等離子體參數(shù)通過計(jì)算筆者發(fā)現(xiàn)離子-中性粒子碰撞阻尼率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于由于離子粘滯而導(dǎo)致的阻尼率。因此,離子-中性粒子碰撞阻尼應(yīng)當(dāng)是筆者實(shí)驗(yàn)中帶狀流的主要線性阻尼機(jī)制。而該阻尼率基本不隨磁場(chǎng)變化,這和我們的計(jì)算結(jié)果是自洽的。 使用自雙譜分析,筆者發(fā)現(xiàn)LFZF和高頻湍流發(fā)生明顯的三波耦合,通過包絡(luò)分析方法,筆者認(rèn)為其中包含了幅度調(diào)制和相位調(diào)制兩個(gè)過程,前者主要反映了帶狀流從背景湍流中通過非線性耦合獲得能量的產(chǎn)生過程,即參量不穩(wěn)定性；而后者主要反映了帶狀流產(chǎn)生之后對(duì)背景湍流的剪切作用,即多普勒剪切效果。 通過改變磁場(chǎng),進(jìn)行了漂移波-帶狀流系統(tǒng)中的自調(diào)節(jié)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著磁場(chǎng)逐漸增加,湍流線性增長率增大,系統(tǒng)總能量增加,而帶狀流則在某個(gè)磁場(chǎng)閾值處開始產(chǎn)生并逐漸增強(qiáng)。通過比較不同成分能量的比值隨湍流總能量的變化趨勢(shì),我們發(fā)現(xiàn)其規(guī)律與理論提出的”捕獵者-獵物”模型(the generalized predator-prey model)很好地符合,并且可以根據(jù)該理論進(jìn)一步獲得漂移波的增長率隨系統(tǒng)總能量或磁場(chǎng)變化的定性關(guān)系。 為了研究帶狀流對(duì)背景湍流的調(diào)制作用效果,對(duì)不同帶狀流能量下的背景湍流的徑向和角向平均波數(shù)kr及波數(shù)展寬△kr的變化趨勢(shì)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明帶狀流對(duì)湍流存在調(diào)制作用,該作用使得背景湍流的徑向平均波數(shù)和波數(shù)展寬增加,從而減小其徑向輸運(yùn)步長,抑制輸運(yùn)；同時(shí)角向平均波數(shù)和波數(shù)展寬都減小,這說明湍流渦旋結(jié)構(gòu)在帶狀流的作用下被扭曲,其徑向尺度減小而角向尺度增加,與理論和模擬結(jié)果相符合。 我們還通過條件分析方法,深入細(xì)致地研究了帶狀流對(duì)徑向粒子通量的抑制作用效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該作用主要是由于密度和電勢(shì)漲落之間的互相關(guān)因子被顯著抑制所導(dǎo)致的,與某些理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。 另外,我們還嘗試使用計(jì)算非線性能量耦合方程和能流來研究帶狀流和背景湍流之間的非線性能量交換機(jī)制。 最后,我們進(jìn)行了一些關(guān)于相干結(jié)構(gòu)和blob的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容嘗試,發(fā)現(xiàn)在限制器以外的等離子體邊界區(qū)域,等體密度輪廓平坦,離子飽和流漲落信號(hào)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的陣發(fā)特性,可能預(yù)示著blob結(jié)構(gòu)的存在。
【關(guān)鍵詞】：直線磁化等離子體裝置 弱電離等離子體 漂移波湍流 低頻帶狀流 譜分析 包絡(luò)分析 Langmuir探針陣列 E×B剪切 碰撞阻尼 徑向粒子通量 非線性能量耦合 相干結(jié)構(gòu) blob
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O533
【目錄】：

• 摘要5-8
• Abstract8-11
• 目錄11-15
• 第一章 漂移波湍流-帶狀流系統(tǒng)15-67
• 1.1 直線磁化裝置中的漂移波不穩(wěn)定性和漂移波湍流15-20
• 1.1.1 漂移波和漂移波線性不穩(wěn)定性15-18
• 1.1.2 非線性漂移波方程和漂移波湍流18-20
• 1.2 漂移波湍流中的帶狀流理論20-36
• 1.2.1 帶狀流的分類21-24
• 1.2.2 平板模型下帶狀流產(chǎn)生的參量不穩(wěn)定性24-27
• 1.2.3 帶狀流對(duì)背景湍流的剪切機(jī)制以及通過剪切抑制徑向輸運(yùn)27-31
• 1.2.4 帶狀流的線性阻尼機(jī)制31
• 1.2.5 帶狀流的非線性阻尼和飽和機(jī)制31-34
• 1.2.6 帶狀流研究的重要意義34-36
• 1.3 LFZF的實(shí)驗(yàn)總結(jié)36-57
• 1.3.1 環(huán)形裝置中LFZF的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果36-40
• 1.3.2 直線磁化等離子體裝置中LFZF的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展介紹40-57
• 參考文獻(xiàn)57-67
• 第二章 靜電探針理論和數(shù)據(jù)分析方法67-111
• 2.1 靜電探針介紹67-78
• 2.1.1 單探針67-71
• 2.1.2 雙探針71-72
• 2.1.3 三探針72-74
• 2.1.4 徑向輸運(yùn)通量探針74-75
• 2.1.5 發(fā)射探針75-77
• 2.1.6 射頻補(bǔ)償探針77-78
• 2.2 常用數(shù)據(jù)處理方法78-109
• 2.2.1 時(shí)域相關(guān)78-80
• 2.2.2 條件平均80-82
• 2.2.3 雙正交分解法82-84
• 2.2.4 傅里葉變換和兩點(diǎn)法測(cè)量功率譜密度84-86
• 2.2.5 局域波數(shù)頻率譜86-89
• 2.2.6 徑向離粒子輸運(yùn)通量的數(shù)字譜分析89-91
• 2.2.7 雙譜分析91-92
• 2.2.8 包絡(luò)分析方法92-99
• 2.2.9 幅度相關(guān)法99
• 2.2.10 能量傳輸函數(shù)99-102
• 2.2.11 能流(transitioning flow)102-109
• 參考文獻(xiàn)109-111
• 第三章 裝置簡介和靜電探針安排111-129
• 3.1 直線磁化等離子體實(shí)驗(yàn)裝置簡介111-121
• 3.1.1 裝置結(jié)構(gòu)111-113
• 3.1.2 裝置真空系統(tǒng)介紹113
• 3.1.3 直線實(shí)驗(yàn)區(qū)磁場(chǎng)系統(tǒng)113-115
• 3.1.4 充氣系統(tǒng)115
• 3.1.5 二維移動(dòng)系統(tǒng)115-116
• 3.1.6 限制器(Limiter)結(jié)構(gòu)116-117
• 3.1.7 等離子體源117-121
• 3.2 靜電探針安排121-127
• 3.2.1 二維移動(dòng)掃描探針121
• 3.2.2 徑向粒子通量三探針121-122
• 3.2.3 測(cè)量帶狀流模特征的靜電探針組122-123
• 3.2.4 為計(jì)算非線性能量耦合項(xiàng)的探針設(shè)計(jì)123-127
• 參考文獻(xiàn)127-129
• 第四章 低頻帶狀流的實(shí)驗(yàn)研究129-191
• 4.1 等離子體參數(shù)掃描129-138
• 4.1.1 熱陰極放電下的等離子體參數(shù)掃描129-133
• 4.1.2 射頻放電下等離子體參數(shù)掃描結(jié)果133-138
• 4.2 等離子體漲落特性、等離子體源的選擇和弱湍流狀態(tài)獲得138-144
• 4.2.1 兩種放電方式下的漲落特性對(duì)比138-139
• 4.2.2 熱陰極放電下的漲落特征139-144
• 4.3 低頻帶狀流的實(shí)驗(yàn)研究144-187
• 4.3.1 模特征的測(cè)量和判定144-150
• 4.3.2 帶狀流的阻尼機(jī)制研究150-153
• 4.3.3 低頻帶狀流和背景湍流之間的非線性能量耦合153-169
• 4.3.4 低頻帶狀流對(duì)背景湍流的調(diào)節(jié)作用169-173
• 4.3.5 帶狀流對(duì)橫越磁場(chǎng)的徑向粒子輸運(yùn)的抑制173-187
• 參考文獻(xiàn)187-191
• 第五章 相干結(jié)構(gòu)和blob的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果191-203
• 5.1 相干結(jié)構(gòu)(Coherent Structure)191-193
• 5.1.1 相干結(jié)構(gòu)介紹191-192
• 5.1.2 相干結(jié)構(gòu)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果192-193
• 5.2 blob193-203
• 5.2.1 blob的介紹193-194
• 5.2.2 blob的實(shí)驗(yàn)尋找194-203
• 參考文獻(xiàn)203-207
• 第六章 總結(jié)和展望207-211
• 發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和會(huì)議報(bào)告211-212
• 致謝212

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 謝錦林;于治;劉萬東;俞昌旋;;Observation of Low Frequency Instability in a Magnetized Plasma Column[J];Plasma Science and Technology;2006年01期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 謝錦林;磁化等離子體低頻不穩(wěn)定性研究及激光誘導(dǎo)熒光診斷[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2008年

2 蘭濤;托卡馬克邊緣等離子體中測(cè)地聲模帶狀流的實(shí)驗(yàn)研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2008年

  本文關(guān)鍵詞：直線磁化裝置中漂移波湍流—帶狀流系統(tǒng)的自調(diào)節(jié)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：345879