基于电子回旋辐射成像诊断的磁流体不稳定性实验研究

1、基于电子回旋辐射成像诊断的磁流体不稳定性实验研究 在托卡马克等离子体物理中 , 高约束模是人们认为最有可能实现聚变反应的 约束模式。但是 , 低约束模向高约束模的转换机制、转换阈值等问题至今没有答 案,多种多样的磁流体不稳定性 （包括锯齿不稳定性、 撕裂模、交换模、气球模等 ） 更是加深了高约束模等离子体物理的复杂性。所以, 研究高约束模等离子体物理是一个非常重要的课题。理解高温等离子 体物理机制 , 首先要做的就是探测等离子体中电子温度、 离子温度、密度、电流、 旋转速度等放电参数 , 以及各种磁流体不稳定性的现象特征。电子回旋辐射成像系统是一种先进的二维成像诊断 , 具有很高的时间分辨和

2、空间分辨 , 并且可以覆盖托卡马克小截面上的较大范围。电子回旋辐射成像诊断 可以提供真实、局域的电子温度涨落图像 , 与传统的一维诊断 （如电子回旋辐射计 ） 和二维诊断（如软X射线层析反演成像诊断）相比具有更多的优势。本文在第二章中简单介绍了电子回旋辐射成像的基本原理以及其硬件系统 , 同时也详细介绍了在电子回旋辐射成像诊断搭建过程中的工作细节和注意事项。 本章也讨论了 J-TEXT 装置上三维电子回旋辐射成像诊断的设计与搭建 , 最后展 示了锯齿先兆模的三维螺旋对称性结构实验证据。本文在第三章中重点讨论了电子回旋辐射成像对混合锯齿、 m/n = 2/1 模结 构、等离子体破裂等物理现象。与

3、普通锯齿周期相比 , 混合锯齿包含爬升期、部 分破裂、再爬升期、完全破裂等四个阶段。电子回旋辐射成像诊断观测到了混合锯齿四个阶段的详细演化过程 , 尤其是对部分破裂和完全破裂两个过程。本人充分利用了 EAST装置上电子回旋辐射成像诊断大范围观测区域的优势 , 通过求得 q = 1 面以内所有像素点的温度涨落总和,得到了混合锯齿中部分破裂和完全破裂过程中能量传出q = 1 面的比例。利用这种方法 ,本人提出了新的锯齿崩塌时间定义 :在一个锯齿周期内 , 芯部 （q = 1面以内）电子温度涨落总和最大值与最小值之间的时间差。 利用这种方法 , 对锯齿崩塌时间、 锯齿周期、 锯齿崩塌过程中能量损失等

4、锯齿特征进行了大量统 计。在统计过程中 ,发现了几种异常的锯齿崩塌过程 , 为理论研究锯齿崩塌行为 提供了新的实验素材。对等离子体破裂的研究过程中 , 电子回旋辐射成像诊断观 测到了完整的破裂过程 , 尤其是破裂前的 2/1 模结构、频率等特征的时间演化过 程。电子回旋辐射成像诊断对 2/1 模结构演化、磁岛宽度变化的观测 , 补充了等 离子体破裂前 2/1 模的实验结果。同时, 本文还发现 2/1 模的出现 , 对芯部电子温 度剖面和电流剖面的平坦化有一定影响 ,也与芯部杂质辐射能量的减小相关 ; 中 子辐射通量的减小表明 2/1 模可能造成离子温度的下降。这些现象也许都可以作为 2/1 模

5、出现的预兆现象 , 进而对等离子体破裂的预 测提供新的线索。除此之外 , 电子回旋辐射成像诊断还清楚地观测到了垂直不稳 定性中等离子体中心的移动过程 , 给出了等离子体中心的运动轨迹。托卡马克高约束模台基区物理现象非常复杂且难以理解 , 尤其是边界局域模 不仅种类繁多 , 而且伴随着各种各样的磁流体不稳定性。本文在第四章中首先简 单介绍了边界相干模的分类及其理论 , 随后重点分析了电子回旋辐射计在等离子 体边界的应用。虽然, 电子回旋辐射成像诊断在等离子体边界的应用受到非光学厚的制约,对诊断信号的解释比较复杂 ; 但是, 一般认为此时的电子回旋辐射强度不在单纯 是当地电子温度的函数 , 而是同

6、时包含当地电子温度和电子密度信息 , 即电子回 旋辐射成像诊断给出的是辐射温度 （非电子温度 ）的相对涨落。在 2014年 EAST 实验中, 电子回旋辐射成像诊断在同电流方向中性束注入加热下观测到一种准相 干模, 并对该模式的特征进行详细的分析和讨论。实验发现, 这种相干模只出现在高约束模的台基区 （最后闭合磁面以内 ）, 模 结构是典型的类气球模结构，且磁岛宽度只有4cm左右。通过电子回旋辐射成像 诊断的动画观测 ,该相干模在实验室坐标系下沿电子逆磁方向旋转。在无边界局域模高约束模期间,相干模频率从45kHz下降到15kHz左右,同时 相干模幅度增大、波长增大 （ 即极向模数减小 ）, 并

7、且该模式在实验室坐标下的相 速度也在减小。在有边界局域模高约束模期间 , 边界局域模破裂间隙也存在类似 的相干模 , 由于其结构、频率、旋转、局域性等模式特征都与无边界局域模高约 束模期间的相干模一样 , 所以二者应属于同一种物理模式。本文根据偏滤器Da信号定义了 “小边界局域模破裂”和“大边界局域模 破裂”, 并利用互相关的方法给出最后闭合磁面内外两道电子回旋辐射成像诊断 信号的互相关系数 ,以此判断两种边界局域模破裂过程中的能量损失 ;同时, 利用 成像的方法 , 对两种破裂过程的二维结构演化进行了详细的观测。 最后, 本文在第 五章中对以上工作做了简单总结。前景展望部分讨论了 EAST装置上电子回旋辐射成像诊断的不足之处,并且 给出了潜在的改善方案。对于尚待挖掘的ECEI数据,大数据与机器学习的方法可 以被借鉴 , 来快速判断电子回旋辐射成像诊断数据中