HL-1M装置边缘扰动和流速的实验研究.docx

1、176第18卷第3期1998年5月真空科学与技术VACUUMSCIENCEANDTECHNOLOGYCHINA)HL-1M装置边缘扰动和流速的实验研究洪文玉王恩幕潘宇东陈燎原徐小桥杨式坤邓慧忱-业部西南物理研究院成都6KXM1)产1997年4月4日收到TLStudiesoftheEdgeFluctuationsandFlowVelocityintheHL-1MTokamakHongWenyu,WangEnyao.PanYudong.ChenIiaoyuan,XuXiaoqiao,YangShikunDengHuichen(SouihwestfvnInstituteofPhysics,Cheng

2、du,610041)AbstractThecharacteristicscftheplasmaflowontheSOLandattheedfetsofHL-1MTokamakweresystwiali-callystudiedwithaMadiprobeansQ-.Iiecharacteristicsmeasuredincludetheparallel-flow-Machnuniber,lheionsalu-ration-currRnt-fluctuation,theparallel-flow-velocity-shearandpoloidal-flow-velocity-profileina

3、varietyofrealisticwtua-tions.suchas.inOhmicdischarge,inwallboronization,inLHCDandECRH,inpelletinjection.inmolecularbeaminjection,inlaserblow-offandgaspuffing,albiaspumplimiter,atbiaselectrode.Ourinterestingfindingiethelarge,abruptchangeinpotentialofalocalizedplasma,whichresultsinanumbero£change

4、s,forinstance,changesineledricfielddis-tnbutian,changsinvelocityanddirectionofthefasmaflowatboundariesoftheTokamak.Whatismorfimpwtaniisthalthepbemaconfinementcanbeconsiderablyimprovedbytheabruptchangeinlocalizedplasmapotential.KwordsMachnumber,Parallelflowvelocityshear.Molecularbeaminjection,Poloida

5、lflowvelocity,Pelletinjection摘萋利用一组马曲探针研究HUM装置刮离层和边缘等离子体流在欧姆放电、壁化、偏压抽气乱栏、偏压电极、低混杂波电流驱动、电子回旌共振加热、禅丸注入、分子束注入、激光吹气和补充送气等情况下的平行流马瑟数、离子饱和电流扰动、平行流速度切和极向流速度的分布:.实验中发现局部等离子体电位快速变化.改变了电场分布，改变了边缘等离子体的流速和方向。从而改善了等高子悻约束性能，关键词马赫数平行流速度剪切分子束注入极向流速度弹丸注入】引言*丸钱在聚变装置中，边界条件是重要的，了解刮离层(SOL)和边缘等离子体的性能更为重要。.在非均质等离于体中,由平行于磁

6、场方向的等离子体质量流速度的横向场梯度(乾切)驱动的不稳定性已广泛地进行了研究°在mm-M托卡马克中.偏压h模放电在等离子体边缘产生强的径向电场巴,改变了等离子体环向旋转和极向旋转速度。目前的研究发现.托卡马克等离子体约束的模转换与等离子边缘极向流敦切的存在有关。低杂波(LHW)注入弹丸注入和分子束注入(MBI)到HL-1M等离子体会引起局部等离子体流速的快速变化和极性反向，同时产生高的极向旋转速度减少了边缘扰动和提高了约束性能"这束注入。3.7壁硼化和ECRH为了改善HL4M装置运行过程中的器壁状态，该装置首次进行了壁硼化处理，在整个内壁表面上沉积一层a-C/BH膜，它对

7、装置的运行状态和等离子体特性的改善起了重要的作用:，在壁圈化后，再循环下降，密度控制更容易，等离子体中杂质水平大大降低.C0杂质被抑制，金属杂质几乎消失，辐射功率弑少50缱-60%,中心电子温度增加35%-40%,密度极限提高50%左右，能量约束时间n一般从硼化前的810ms增加到珊化后的18-25ms,等离子体流速增加，M值上升，提高了边缘等离子体稳定性。图13给出HI.1M装置壁圈化后，平行流马赫数M值的径向分布,同时给出了ECRIi期间，马赫数M值沿径向的变化。由图13口f看出.ECRH期间M值增加，因此SOL和边缘等离子体的扰动减少.提高了等离子体参数稳定性和重复性。图14（b）给出了

8、补充送气（p=3X10"P马旃探针位置r=26cm）时.平行流马演数M0.80.2°22«boronizationECRH*Ohmic"8角.(beforeboronization>°or/cm28图13壁化和投入ECRH期间，M的径向分布Fig.13TheradialproAlesofMduringthewallboronizadonandECRHareturnedon值有一定程度的下降。这是由于补充送气时,增加了边缘等离子体碰撞，等离子体流速下择,阪值下降ffi14激光吹和补充送气对M值的影响Rg.14Theinfluenceofla

9、serblow-offandthe斑puffingonM4结论在HL-1M装置的不同运行状态下进行了刮离层、边缘等离子体平行流和极向流径向分布的实验测量。实验指出，在非均质等离子体中，托卡马克等离子体约束的模转换与等离子体边缘附近极向流剪切的存在有关。同时，边缘等离子体的不稳定性是由平行于磴场的等离子体质量流速的横向场梯度（剪切）所激励的。结果表明平行流速度变化是在极向卯切流层相间的径向位置上,这个流町切能够抑制等离子体密度扰动和影响局部等离子体约束的稳定性。实验还给出壁珊化、偏压抽气孔栏、偏压电极、LHCD,弹丸注入特性和MBI实验改善边缘等离子体的扰动特性。参加本T作的还有张崇惠和潘莉表示

10、感谢。费考文祖1 DongJQ,HoclonW.Momentum-energ>,TransportfromTurbulenceDrivenbyParallelFlowSiear.PhysPlasmas.1994;1(1O):325OXiaoC.JainKK,ZhangWera/.MezBurementofPlasmaRotaiionVelocityswithElectrodeBiasingintheSTOK-MTokamak.PhysPlasmas,1994;1(7)：22912 ChungKS.DevelopmentofaViscoMachProbefortheSimultaneous

11、MeasuremenlofViscosityandFlowVelocityinTokamakEdgePlasma.NuclearFusion,1994;14(9):1213LiGX.BengtsonRD,LinHetoZ.ThePhrviiaPotentialAsymmettyandSteadyStateRadialConvectionintheTCXT-UTokamak.NuclearFusion,)994:34(5):6593 MacLalchyCS.BoucherC,PoirierDArfal.Gundestmp：aLangmuir/MachProbeAnayforMeasuringFl

12、owsintheScrape-offLayerofTdeV.RevSciInstrum.1992:63(8)：3923BoucherC.MacLatchyCS,LeGairGeial.OperationofaLangmuir/MachProbeinTokamakdeVarennes.JNudMater.1990;176177：10504 WagmerF,BardzuhnJ,BrakelRa/.H-tnodeofW7-ASStellarator.PlasmaPhysControlFusion,1994;36：A6174LtohSI,IlohK.ModelofL-to-HModeTransidan

13、inTokamak.PhysRevLett,1988;60：22765 ShaingKG.CiwncEC.BifurcationTheoryofPoloidalRotationinToluimaks：AModelfiwtheL-HTmnsitiQn.JrPhysRevLett,1980;63：2360BiglariH,DiamondTH»TefrTW.InfluenceofShearedPoloidalRotationonEdgeTuibulenM：e.PhyFluids,1990;B2：l6 QinXM,BaiL.ModelonIi-toH-modeTransitionDriven

14、withLower-hybridWave.ChinaPhysLett.1994;11(11)*677SoldnerFX,LeutererF,GehreQeial.IxnverHybridExpecimenlsonASDEXin1989,IH/162,19907 TsujiS,IdeS,SekiMa/.'IhcLimiterH-ModewithLowerHybridCuirentDrive,(LEA-CN-53/E-l-4).13thConfJVdcofPlasmaPhysicsandControlledNuclearFusionResearch.Washington11990QinXM

15、tBaiL,RamLPhysic#andControlledNuclearFusionResearch.ChinaRiy8Lett,1992;9(2)：527NakamuraM.MinamiT.ParticalConfinementofLowerHybridCurrenlDrivenHasmaandElectronCyclotronHeatedPlaMnaintheWT-3Tokamak.NuclFusion,199】；31:14858 LuckharrhSC,Cher)KI.MaybenyMJeral.ParticleConfinementandtheAnomalousDopplerInst

16、abilityDiningConbinedInductiveandLowerHybridCurrentDrive.PhysFluids,1986;29：198517董贾福.罗俊林，唐年益等.HIHM弹丸消融云演变的研究实验报告，西南物理研究院，199618HamadaY.SalKN,SakakitaHelal.LaiePotentialChangeInducedbyPelletInfectioninJIR*T-DUTokamakPWna.NffS357.1995种现象产生的原因主要是由于低混杂波电流驱动(LHCD),MBI和弹丸注入期间，局部等离子体电位产生大而快速变化，即大大改变了径向电场8

17、。为了解释LH模转换的产生，其焦点集中在边缘电场EdE/dr和极向旋转速度t；河的机制。因此，托卡马克等离子体刮离层及边界层流动速度的测锹对于给出约束和模转换是非常重要的【'"J,弄明白环向和极向等离子体中产生电位变化的机制也是重要的。在HL-1M装置中，利用马赫探针玺测量研究了装置在不同运行状态情况下，边缘等离子体扰动及流动速度的变化和分布，以及各种运行状态对于抑制等离子体密度扰动和改善局部等离子体的约束作用。2实验安排和测原理HUM装置对称设置两个全极向石墨主孔栏(半径r=26cm),马赫探针组是安装在HL4M装置的主真空室内，同时可通过磁力传输杆沿径向方向相对于主孔栏向

18、里或向外任意调节，调节范围通祜在21-27cm之间，以测量边界层等离子体马赫数沿径向的分布。在环向方位，探针组偏离主孔栏22.5。,并在它的电子漂移侧一方,偏离抽气孔栏22.5。而在其离子漂移侧一方，如图1(a)所示。在极向中心位置上，偏离子午面平面22.5。,偏离偏压电极67.5。,如图1(b)所示。图1中1为抽气孔栏;2为马赫探针组;3为主孔栏;4为真空室；5为等离子体;6为偏压电极。抽气孔栏宽度为30cm,曲率半径为23cm,实验时插入主孔栏2cm.即r=23cmo偏压电极由。4.4cmx3.0cm的圆柱形石墨头做成，并对真空室电绝缘，实验时插入主孔栏2cm,即24cm0图2为马曲探针组

19、的结构，图中1为马赫探针;2为网瓷管;3为石墨柱体;4为隔离板。探针a,d,b加负偏压(-150V).以分别测量上游、下游和下面的饱和离子流J.、h和&，探针c悬浮，测量等离子体的悬浮电位Ur。22.5,22.5,fflIHIKM装置中马莠探针坦的方位Fig.1TheBchematicsdbowingthelocationofaMachprobearrayintheHL-1MTbluffnakBB2马魅探针组的结构Fig.2TheschematicsofaMachprobearray由于磁场等离子体流的存在,引起平行和逆平行于磁场方向接近于探针表面的饱和离子流的不对称。当探针暴露于等离

20、子体上游时，将产生较高的饱和离子流,而当探针暴露于等高子体下游时，则有较低饱和离子流。这种不对称性可用于测量等离子体流速度。同时，平行于磁场B的等离子体流还必须考虑到垂直于磁场流动的可能性，这个等离子体流必须与ExB作用力方向一致。马赫探针测量正是利用r这种原理。等离子体的平行流马赫数定义为磁场方向上等离子体流的漂移速度约对高子声速c.的比M=vt/c9(1)e,=A(T1+Tc)/mi,/2(2)式中Tq分别为离子和电子温度为玻尔兹曼常数；叫为离子质量。极向速度由下式计算式中为基于EkB流的极向流速度;Jpd=A-Jb是极向电流密度;n=Ja(2-W)/c.是等离子体密度(M<l);e

21、为离子电荷。平行流马赫数可以简单地由探针收集的沿磁场方向位于上游和下游的饱和离子流J.和人的比值导出，假设两探针的收集面积相同，根据Hartxmr和Prondfoot模型，可得出修正的离子能量分布半经验“平均值”。Af=0.61n(J./Jd)(4)3实验结果与讨论在聚变物理中，整体和刮离层中的等高子体动力学有很大区别。因此，孔栏或最后封闭磁通面(LCFS)必有过渡区。越过此区域，某些等高子体参数迅速改变。换言之，边缘等离子体是通过等离子体参数，如平行等离子体流的快速径向依赖关系来表征的。在整体等离子体中，粒子可沿磁力线自由移动，而这种移动在SOL中不存在，这是由于孔栏或偏离器板的存在。在相同

22、条件下，等离子体流的速度分布是通过马赫探针沿被向位置的变化来进行测隹的。如在正常托卡马克放电、壁硼化、偏压抽气孔栏、偏压电极、LHCD、电子回旋共振加热(ECRH)、弹丸注入、分子束注人、激光吹气和补充送气等情况下，马赫数的分布变化可由正变到负。负马赫数意味着局部等高子体流的方向相反。实验中，等离子体参敖：8丁=182、5T,/p=100310kA，线平均电子密度ne(0)=(l3)x10l9mJ以及电子温度Te(0)=0.5*1.0keV。3.1欧姆放电装置进行了高参数(/p=310kA)下的托卡马克放电，此时，等离子体边缘平行流马赫数行增加c图3(b)给出不同4情况下材值沿径向的变化。图4

23、(b)为抽气孔栏插入主孔栏3cm时(零偏置)，材值沿径向的变化。由马稣数的测量中可看出，从边缘等离子体内部到刮离层，平行离子质量流沿径向有着陡峭的斜率.它受孔栏附近冷等离子体壳层的控制，而等离子体扰动是由与平行流速度的径向梯度有关的自由能量所激励，同时也在极向方，,=I50kA，,=I50kA310LA8，,=150kAqof/r-310kA2426r/cm(c)2.022242628r/cm(d)图3正常欧姆放电(/p=150kA)和高参数F欧姆放电(=310kA)下和板的径向分布Fig.3DieradialprofilesofnrtM,and%fordifferentOhmicdischa

24、rgecuirent图4抽气孔栏处于。=23cm和率偏置时.七，财，妨和的径向分布Kg.4TlieradialprofilesofnetM,IT/andwbenpumplimiteratrp=23cmandi/i,=0V向上产生加速。在与极向卯切层相同径向位置上的等离子体平行速度变化产生极向剪切流。图3(c)和图4(c)给出了反映等离子体平行速度变化的平行流剪切Q，它是离子平行速度的径向微商，订=(0/c)(d”/dr),其中Lh为密度梯度的定标长度，。=H/(dn/dr)。图3(a)和图4(a)给出对应的边缘等离子体电子密度的径向变化。从图3和图4可看出，平行离子流速度最大梯度发生在垂直方向

25、上速度剪切的同一径向位置上。图3(d)和图4(d)给出相应的极向等离子体流速Dg的径向变化。3.2偏压抽气孔栏偏压抽气孔栏实验中，抽气孔栏位于rp=23cm,抽气孔栏偏压分别为零偏压、正偏压(64=214V)和负偏压(=-160V)时，等离子体平行流马赫数M和极向流速度or的径向分布示于图5,可看出.正偏压抽气孔栏时.册值下降河偏高。负偏压抽气孔栏时，辫值上升，。pd反向。在偏压抽气孔栏情况下uf=如+s式中Up为等离子体电位；。为孔栏与等离子体之间的壳层电位；为为孔栏电位。如果只有一个偏压孔栏，改变孔栏电位将只改变等离子体和壁之间SOL中的电场。而等离子体中有很高的电导率.电场不易建立，所以

26、偏压孔栏对等离子体内的电场影响不大。另外，当抽气孔栏处于)=23cm时，由图1和图2可看出，下游探针收集的的和离子流九受到探针收集长度的限制。当rp>23em时,下游探针在抽气孔栏的阴影区，距离抽气孔栏的有效长度为1=50cm,而探针的收集长度L/i=ctd2/D3式中Bohm扩散系数.对&,七=11/8；/=0.005m为探针组件的半径;Qi=150cmo因而九下降.而上游探针收集的饱和离子流人不受收集长度的影响，致使M值增加，这就是图5(&)中在，p=23.5cm处，X有最大值的原因C3.3偏压电极偏压电极的实验结果与偏压抽气孔栏的实强结果不同c图6给出了偏压电极电压

27、分别为。和3切V时，册值、离子饱和电流扰动/.*(Z.振幅的均方根值)和极向流速度的径向分布c由图6可以看出，正偏压电极时，M值增加，并随电极电压的增加而增加。图6也给出了扰动特性，即在SOL中和等离子体边缘.离子饱和电流I,振幅的均方根值(nns)与应用正偏压电极前相比明显诚少。极向等离子体流速度“g也有明显变化，尤其是偏压电极加正偏压并出现模转换阶段，即偏压上升或不变，而偏流下降段.极向等离子体流速度急剧变化.如图6(c)所示。电极上偏压电位的变化改变了SOL和边缘等离子体中的电场分布及密度分布，同时引起等离子体流的改变。电极偏压期间，极向速度。河可以用矿，上和”，的函数来表示，<b

28、)图6偏压电极处于rb=24cm.不同偏庆时,M，L,a和的径向分布Fig.6TheradialprofilesofM.andfgwhen飞=24cmanddifferentbiasvoltager/cm(c>Vpoj=vtB/By-cEj/B-y-Fi/(BeL)(6)式中，为环向流速网为极向磁场；c为光速；矿为径向电场。式(6)的第一项为平行流的极向投影，第二项为ExB漂移的极向分量，第三项为等离子体反磁漂移引起的极向旋转。在图6(c)中，极向速度。河是作为径向位置r的函数画出的。从图6(c)可见，在r=24.5cm处zr曲线的斜率从负变为正，产生村切层。从数据的分析也可看出，在孔栏

29、里面.H模期间勇网是以很大的数值增加，同时，扰动振幅在孔栏内的24-25cm之间的窄区域内急速变化。3.4LHW注入实验和理论模型均指出wg；H模的产生总是伴随着托卡马克等离子体边缘极向流或径向电场的变化。边缘等离子体的极向剪切流可以通过有质动力势驱动。同时，由低杂波电场引起托长马克等离子体磁化。在HUM装置欧姆放电期间，加入LHCD后，等高子体参数和特性有了明显变化.刮离层和边缘等离子体的流速及扰动特性也有显著变化，如图7所示°由图7可看出.M值下降，极向速度。网增加，高子饱和电流扰动L.m减少。图7(c)还给出了LHCD期间等离子体平行流剪切沿径向的变化。当纵场方向改变时,边缘等

30、离予体极向流的方向也改变，并随注入LHW功率的增加而增加，如图8所示。LHW注入时，在环向流和极向流变化的同时等离子体电位也有较大的变化，如图9所示。同时发现，当LHW注入功率较大时，最暮近边缘的等离子体环向流反向c由于LHW注入时，等离亍体电位下降。随着注入功率增加，电位下降到变为负值，如图10所示。因而电场也反向，致使等离子体环向流反向，其产生的机制尚需进一步探讨，LHCD是目前效率最高的一种RF环形电流驱动手段，通过调皆天线相对于等离子体边界的位置以实现最佳耦合2】3】，天线口处的有质动力势(pondenwnaHve)效应改变了天线口附近的等离子体密度及其分布，进而改变了径向输运和边界分

31、布，这与边界径向电场的豹切1.00.040.80.03O0.020.0)0.203LHCDOhmicr/cm(e)r/cm<d)50.426尸/cm$OhmicLHCDOhmicLHCD4°22图7欧姆放电期间投入LHCD时，心和Upj的径向分布Flg.7H)cradialprofilesofAf,1.林.U：；and督小whenLHCDisturnedonduringOhmicdischargeOooooOhmic.。/o。LHCD(180kW)方M空LHCD<500kW)'、LHCDC210kW)IO1111111112022242628r/cm<b)图

32、8欧姆放电和不同LHCD功率卜，边缘等离子体的M和t，x的径向分布Fig.8HieradialprofilesofMandforOhmicdischargeanddifferentLHCDpower及变化有关。在LHW期间，边缘等离子体的极向剪切流可以通过有质动力势驱动，同时，LHW电场在托卡马克等离子体中感应磁化结果。而且，在LHW注入期间内，边缘扰动（无规则流）和LHW产生的极向剪切流（有规则的薄层流）彼此竟争”4。假设注入LHW的振荡电场的振幅仅仅是径向位置r的函数.可以给出电场的表达式E（r91）=E（r）expf-iox）（7）式中3为注入的LHW频率。实际上，UH【W产生的振荡电场

33、的平行分最知对于极向旋转是没有效果的，即图9欧姆放电和LHCD下，边缘等离子体电位t/p的径向分布Fig.9Theradialpn血lesofUpduringLHCDinjection图10禅丸注入（连续三发弹丸）和LHW注入时，边缘等肉子体悬浮电位的变化，fhevariationcifthepLuunafloatpotentiall/flyduringpelletinjectionandLHWinjection,respectivelyd%>i_匚廿dr一L.rv(8)注入LHW产生的电场的垂直分量可以驱动等离子体极向旋转5。，河变化应由三个因素确定用：Ex田漂移的极向分量（cE,/B

34、t）c有质动力势产生的极向旋转（/4忐的）（0?+必）/（«?_必Vd度/dr,其中JHj为离子质量；©ci为离子的回旋频率），环向平行流速的极向投影（8网奴/8丁）。从上面可以清楚地看出，在考虑的系统中，驱动极向乾切流勺“的真正的源是注入的LHW功率，同时引起了等离子体对注入LHW响应的磁化作用cLHW产生极向剪切流，正像对边缘扰动的发展建立起一层位全，即极向剪切流将抑制它线性发展的扰动。注入LHW功率是消耗于抑制边缘扰动，一旦边缘扰动被抑制，LHW功率使等离子体旋转.结果Vpol突然增加，即极向VpoiFig.10乾切抑制了不稳定性式中R为等离子体边缘半径；L为1=（7+7；）/四S的定标长度；r，为离子的回旋半径为离子的热运动速度C一般认为在LHCD期间，环向电场乌降低，边界电场梯度增大，抑制了高频不稳定性。从而抑制了径向粒子输运和边界湍流，所以粒予约束得到改善成间。边界的扰动振幅L.g下降，致使等高子体平行流速度下降，极向流速度提高。3.5弹丸注入托卡马克等离子体实验中的弹丸注入，是加料、控制密度分布和改善托卡马克等离子体约束的最重要的方法之一。禅丸注入对托卡马克等离子体约束性能的改善，除了从等离子体能量约束时间"的提高可以证明外.边缘等离子体极向流速度的大幅度增加，也是判断约束性能改善的指标之一。在HUM装置的弹丸注入实验中，边