CO2相干汤姆逊小角激光散射诊断介绍课件

CO2相干汤姆逊小角激光散射诊断介绍及三月二十五日实验数据初步分析

李亚东、李建刚、毛剑珊CO2相干汤姆逊小角激光散射诊断介绍1

OHBEAMS1050KWELECTRONS<6.3KJ>ION<5.7KJ>b--I570KWB--I430kW50KWfast-ionchargeexchange60KW100KW470KW40kw390Kw20kw40kwradiationThermalconvectionThermalconductionInternaldisruption<100kwTurbulence+othereffects>370kwChargeexchangeThermalconvectionThermalconduction托卡马克装置能量流动图(ISX-B)OHBEAMSELECTRONSIONb--I570K2

低频密度微涨落首先由Mazzuato用微波相干散射方法于1976年在ATC上发现、随后Surko和slusher用co2激光相干散射的方法在ATC也发现了宽频、小尺度的密度涨落，实验证明反常的电子能量损失过程是小尺度、扩散类型的过程。微涨落的幅度通常用混合长度来估计（尽管并不完全正确）。微涨落由线性增长、非线性增长、达到饱和。相对密度涨落~1/<K>Ln称为混合长度估计，在这种情况下，一般认为密度扰动发展的足够大，能在小范范围内抹平初始的密度梯度，它是漂移波自由能的源泉。或者说扰动的E×B漂移速度等于电子的逆磁漂移速度。达到饱和的湍流将由离子、电子康普顿效应、或与高阶MHD作用等过程将能量转移出去，因此微湍流并不导致等离子体的宏观变化、仅仅产生反常输运。Ln=-(d(lnn)/dr)-1在托卡马克边界为1~几厘米，在芯部可达近无穷大。<k>在边界一般为1~3cm-1而在芯部一般为3~10cm-1，因此1/<k>Ln在托卡马克等离子体中心很小，相对密度涨落值中心一般为0.1~1%，边界为10~100%。密度微涨落的一般尺度、特点低频密度微涨落首先由Maz3CO2激光相干散射诊断信号的特点

电磁波相干散射的散射截面为σ=σ0S(k,w)

σ0=(e2/mc2)2--------thomsoncr0ss-section

S(k,w)=limv→∞2/VT｜ne（k,w）｜2

T→∞

k=ks-kiw=ws-wi

<｜n｜2>=(2π)-4∫S(k.w)dkdw

k谱为(2π)-1∫S(k.w)dw。在七十年代中期至八十中期，认为Kr,Kθ可比。

K┻在小环截面认为是相同性的。但K┻》K‖。随着一批中型托卡马克的建立，

诊断技术的提高，八十年代中期以后，人们发现Kr,Kθ并不可比，因而不在认为K┻

在小环截面的相同性。

频谱为(2π)-3∫S(k.w)dk频谱一般分为宽谱、窄谱。并且含有由于等离子旋转产生的频移。

宽谱认为各不相关K模的相互耦合作用，使频谱展宽。w～△w～w*e

w*e=K┻CTe/(eBLn)------电子逆磁漂移频率CO2激光相干散射诊断信号的特点4宽谱的型状在各装置、及各装置的不同位置都不相同。早期的实验根据有关的输运模型，用高斯和洛仑兹线型做为比较。随着装置的发展，发现差别越来越大，现在用的越来越少。但宽谱的幅值与装置的约束改善还是存在一定的联系。

窄谱根据其谱的窄度，认为各k模相关、或部分相关。H模、ITB、QDB等都在等离子内部发现了相干模--窄谱。窄谱一般认为反应了湍流结构的变化。这对研究托卡马先进运行模式是十分重要的。

频谱的研究可获取能量输运的信息。例如内部等离子体湍流的实验发现湍流一般不与低阶MHD相关，但与高阶MHD相关，由高阶MHD在边界的区域性可知，内部等离子体湍流与输运与边界因素密切相关，托卡马克等离子体内部各模的相关、各涨落量的相关是一个十分大的课题。

宽谱的型状在各装置、及各装置的不同位置都不5托卡马克密度涨落、约束改善及剖面梯度量分布的联系密度涨落的频谱在托卡马克的内外则是不同的，在外侧一般是宽谱，宽谱的形状各装置的发现并不一致，在托卡马克装置内侧，其频谱还有一定的相似性。并可用高斯或洛仑兹线型拟合，但结果并不满意，一般试图用通行粒子和束缚粒子来解释内外侧频谱的差异，当然还有别的因素。密度涨落的频谱在托卡马克装置上下的幅值并不相同，在有的装置上曾发现二者有十几倍的差异。托卡马克装置等离子体小环和大环的不对称性及其变化规律的问题是实验物理的重要内容。对于密度涨落的宽谱，实验发现涨落幅值的减小，对应着托卡马克等离子体约束的改善，即τe提高，这一般发生在τeq＞＞τe，即电子主导区域。对于密度涨落的窄谱，这个关系并不存在，例如在ITB期间，密度涨落的幅值变大，但频谱变窄。可以这样理解，密度涨落的窄谱(部分相干谱)对应于湍流的结构，而湍流的结构对应于托卡马克剖面梯度量分布的线型。因此托卡马克剖面梯度量分布的线型决定了输运，也决定了湍流的性质。托卡马克装置等离子体的输运一般分为q<1芯部区ρq=1<ρ<0.8内部区ρ>0.8边界区Berlizovetalconcludedthatthetheanomalous‘conductivity’wasdeterminedbythreedifferentmechanismsinthreedistinctzonesoftheplasma<1>forq<1.Probablyconvectivetransportformthem=1interaldisruptiondominates<2>forthe‘maingradientregions’

betweentheq=1andq=2surface.Theinferredconductivityhasitslowestvalues<3>q>2theinferredconductiverisedramaticallyandmayberelatedtoMHDactivityassociatedwiththeq=2surfacewhichleadstoconvectivetransport托卡马克密度涨落、约束改善及剖面梯度量分布的联系密6

从八十年代到九十年代初期，关于托卡马克等离子体内部湍流和输运的实验研究表明，寻找普遍的适用的二者联系是不成熟的。insteadwewillhavetorelyontestingvariousmodels,beingcarefulthatspatialasymmetriesarelookforandifpresentaccountedfor.becauseanunderstandingoftheturbulenceimpliesthatwehaveamodeltoexplainit.Therearethreereasonsmakeussayso:fistcomestheproblemofpossiblegeometricasymmetries,neitherapointnoralineofsightmeasurementofafluctuatingquantityisadequate.secondcomesthechoiceofapplicableturbulenceregime[flux（）2（）1or（）0inquasilinear、strongturbulenceandstochasticregimeshasbeenproposed]howeverweshouldbeabletodistinguishwhichistheapplicableregimefromthemeasurementoftheturbulencemicrostructureitself.Thirdothervaryingplasmaparameters(suchasTe)appearintherelationshipbetweenafluxortransportcoefficientandafluctuationlevel托卡马克等离子体内部的湍流和输运从八十年代到九十年代初期，7

HomodyneopticstestandopticsarrangeinHT-7tokamakCO2LaserprobeBlockBeamsplitterPlasmaK=7~30cm-1FocalizeLensesFocalizeLensesCO2laserplasmaHe-NeLaserdetectorPowersupplyBlockGeZnSereflectorFocalizeLensesImagingmirror

HomodyneopticstestinHT-7tokamakGeHomodyneopticstestandopt8

CO2相干汤姆逊小角散射仪机械框架示意图CO2相干汤姆逊小角9CO2Lasersystem

钼反射镜布氏窗水冷水冷流动工作气体流动工作气体ZnSe输出镜镍电极镍电极能量输出~10w模式TEM00线偏振输出CO2Lasersystem10Detectorsystem

HgCrTeprobepreamplifierHighpasserAmplifierFilterComputerLonglinetransportDetectorsystem11CO2激光散射原始信号Ne=1.5E+19M-3k=8.8cm-1

CO2激光散射原始信号Ne=1.5E+19M-3k=12CO2激光散射原始信号Ne=2.0E+19M-3k=11cm-1

LHCD+ICH

CO2激光散射原始信号Ne=2.0E+19M-3k=13

杂质逐渐增加条件下芯部密度涨落监测

芯部涨落幅值与密度相关联(无破裂及强MHD),频谱线宽与温度相关，与软x辐射强度相关，当石墨探针逐渐伸入等离子体、碳含量逐渐增加，杂质辐射增强，等离子体温度下降，频谱线宽逐渐变窄、高频成份逐渐降低！K=12cm-1

杂质逐渐增加条件下芯部密度14

60842原始信号60842原始信号15

60842炮FFT变换结果60842炮FFT变换结果16

Shot60843FFT变换结果Shot60843FFT变17

Shot60844FFT变换结果Shot60844FFT18

60842傅氏变换结果680~880ms60842傅氏变换结果19

60843傅氏变换结果680~880ms60843傅氏变换结果20

60844傅氏变换结果680~880ms60844傅氏变换结果21模式的变化？

密度涨落频谱的宽度—般认为反映了湍流的驱动力强度，温度升高，频谱加宽，频谱的高频成份增加。托卡马克约束改善的本质就是减少湍流的驱动力，减少反常输运的能量损失。因此、无论是H模、还是ITB模期间，相应的频谱宽度都变窄。而密度涨落的幅值并不一定变小，下面60836、60837两炮在550~850ms期间可能存在模式的变化。K=12cm-1模式的变化？密度涨落频谱的2260836FFT变换结果注意550~850ms

60836FFT变换结果注意550~850ms2360837FFT变换结果注意550~850ms

60837FFT变换结果注意550~850ms2460836傅氏变换结果时间段550~850ms

60836傅氏变换结果时间段550~850ms2560837傅氏变换结果时间段550~850ms

60837傅氏变换结果时间段550~850ms26444~454ms

444~454ms27444~454ms

444~454ms28

MHD幅值与芯部密度涨落的关联

一般认为反常输运与高阶MHD相关，高阶MHD存在于托卡马克外层等离子体或边界，低幅值的MHD与芯部关联不大，高幅值MHD可导致破裂，但高幅值MHD与芯部密度涨落关联的系统实验研究文章我未见过，边界与芯部涨落、涨落的低频(MHD)与高频(相对)之间的关系。这是十分有意思的研究课题。本轮实验观察的许多炮发现低幅值MHD与芯部密度涨落之间并无直接的关联。Shot60861是充分发展的MHD振荡,芯部密度涨落信号分析二者有关联,但频谱的波段显然不同。

MHD幅值与芯部密度涨落的29

Shot60861

Shot6086130

电流爬坡实验及相应的现象

在密度不变的条件下，电流爬升可产生（1）等离子体加热，（2）模式转换（3）其它物理现象60873炮在初期有明显的加热效应，频谱逐渐加宽。随着一个未知的50~90kHz扰动的产生（280~630ms），加热效应结束。随着扰动的终结，锯齿振荡开始产生。这个扰动是什么？

电流爬坡实验及相应的现象

31

60873电流爬升FFT变换结果

60873电流爬升FFT变换结果3260873傅氏变换56~180ms

60873傅氏变换56~180ms3360873傅氏变换180~280ms

60873傅氏变换180~280ms3460873傅氏变换280~380ms

60873傅氏变换280~380ms3560873傅氏变换380~630ms

60873傅氏变换380~630ms3660873傅氏变换630~823ms

60873傅氏变换630~823ms3760873傅氏变换823~900ms

60873傅氏变换823~900ms38充Ne实验

国外脉冲杂质注入杂质实验显示，初期温度下降、频谱变窄，大约—个能量约束时间后，

频谱线型回复到原型。下面是HT-7注入Ne的实验频谱线型的变化。

充Ne实验

国外脉冲杂质注入杂质实验显示，初期温度下降、频谱39424~434ms充Ne前

424~434ms充Ne前40434~444ms充Ne中

434~444ms充Ne中41444~454ms

444~454ms42454~464ms

454~464ms43464~474ms

464~474ms44总结

CO2相干激光散射仪经过经验的摸索和实验的检验、证明己能正常工作。初步进行的实验有（1）等离子体密度扫描及密度爬升实验（2）纵场扫描实验（3）LHCD+ICH实验监测(~70炮)（4）充Ne实验、探针实验及其它实验；有效采集炮数~240。目前散射仪理想工作的密度是大于1E+19M-3，曾在~0.7E+19M-3下工作随着仪器最佳工作参数的确定，其工作密度范围将会拓宽。散射仪还有许多功能有待拓广（1）多K谱实时监测（2）空间多道监测（3）非零频外差(区分湍流流向)感谢运行组老师们的大力支持，特别是物理、运行三组的支持！总结C45

CO2相干汤姆逊小角激光散射诊断介绍及三月二十五日实验数据初步分析

李亚东、李建刚、毛剑珊CO2相干汤姆逊小角激光散射诊断介绍46

OHBEAMS1050KWELECTRONS<6.3KJ>ION<5.7KJ>b--I570KWB--I430kW50KWfast-ionchargeexchange60KW100KW470KW40kw390Kw20kw40kwradiationThermalconvectionThermalconductionInternaldisruption<100kwTurbulence+othereffects>370kwChargeexchangeThermalconvectionThermalconduction托卡马克装置能量流动图(ISX-B)OHBEAMSELECTRONSIONb--I570K47

低频密度微涨落首先由Mazzuato用微波相干散射方法于1976年在ATC上发现、随后Surko和slusher用co2激光相干散射的方法在ATC也发现了宽频、小尺度的密度涨落，实验证明反常的电子能量损失过程是小尺度、扩散类型的过程。微涨落的幅度通常用混合长度来估计（尽管并不完全正确）。微涨落由线性增长、非线性增长、达到饱和。相对密度涨落~1/<K>Ln称为混合长度估计，在这种情况下，一般认为密度扰动发展的足够大，能在小范范围内抹平初始的密度梯度，它是漂移波自由能的源泉。或者说扰动的E×B漂移速度等于电子的逆磁漂移速度。达到饱和的湍流将由离子、电子康普顿效应、或与高阶MHD作用等过程将能量转移出去，因此微湍流并不导致等离子体的宏观变化、仅仅产生反常输运。Ln=-(d(lnn)/dr)-1在托卡马克边界为1~几厘米，在芯部可达近无穷大。<k>在边界一般为1~3cm-1而在芯部一般为3~10cm-1，因此1/<k>Ln在托卡马克等离子体中心很小，相对密度涨落值中心一般为0.1~1%，边界为10~100%。密度微涨落的一般尺度、特点低频密度微涨落首先由Maz48CO2激光相干散射诊断信号的特点

电磁波相干散射的散射截面为σ=σ0S(k,w)

σ0=(e2/mc2)2--------thomsoncr0ss-section

S(k,w)=limv→∞2/VT｜ne（k,w）｜2

T→∞

k=ks-kiw=ws-wi

<｜n｜2>=(2π)-4∫S(k.w)dkdw

k谱为(2π)-1∫S(k.w)dw。在七十年代中期至八十中期，认为Kr,Kθ可比。

K┻在小环截面认为是相同性的。但K┻》K‖。随着一批中型托卡马克的建立，

诊断技术的提高，八十年代中期以后，人们发现Kr,Kθ并不可比，因而不在认为K┻

在小环截面的相同性。

频谱为(2π)-3∫S(k.w)dk频谱一般分为宽谱、窄谱。并且含有由于等离子旋转产生的频移。

宽谱认为各不相关K模的相互耦合作用，使频谱展宽。w～△w～w*e

w*e=K┻CTe/(eBLn)------电子逆磁漂移频率CO2激光相干散射诊断信号的特点49宽谱的型状在各装置、及各装置的不同位置都不相同。早期的实验根据有关的输运模型，用高斯和洛仑兹线型做为比较。随着装置的发展，发现差别越来越大，现在用的越来越少。但宽谱的幅值与装置的约束改善还是存在一定的联系。

窄谱根据其谱的窄度，认为各k模相关、或部分相关。H模、ITB、QDB等都在等离子内部发现了相干模--窄谱。窄谱一般认为反应了湍流结构的变化。这对研究托卡马先进运行模式是十分重要的。

频谱的研究可获取能量输运的信息。例如内部等离子体湍流的实验发现湍流一般不与低阶MHD相关，但与高阶MHD相关，由高阶MHD在边界的区域性可知，内部等离子体湍流与输运与边界因素密切相关，托卡马克等离子体内部各模的相关、各涨落量的相关是一个十分大的课题。

宽谱的型状在各装置、及各装置的不同位置都不50托卡马克密度涨落、约束改善及剖面梯度量分布的联系密度涨落的频谱在托卡马克的内外则是不同的，在外侧一般是宽谱，宽谱的形状各装置的发现并不一致，在托卡马克装置内侧，其频谱还有一定的相似性。并可用高斯或洛仑兹线型拟合，但结果并不满意，一般试图用通行粒子和束缚粒子来解释内外侧频谱的差异，当然还有别的因素。密度涨落的频谱在托卡马克装置上下的幅值并不相同，在有的装置上曾发现二者有十几倍的差异。托卡马克装置等离子体小环和大环的不对称性及其变化规律的问题是实验物理的重要内容。对于密度涨落的宽谱，实验发现涨落幅值的减小，对应着托卡马克等离子体约束的改善，即τe提高，这一般发生在τeq＞＞τe，即电子主导区域。对于密度涨落的窄谱，这个关系并不存在，例如在ITB期间，密度涨落的幅值变大，但频谱变窄。可以这样理解，密度涨落的窄谱(部分相干谱)对应于湍流的结构，而湍流的结构对应于托卡马克剖面梯度量分布的线型。因此托卡马克剖面梯度量分布的线型决定了输运，也决定了湍流的性质。托卡马克装置等离子体的输运一般分为q<1芯部区ρq=1<ρ<0.8内部区ρ>0.8边界区Berlizovetalconcludedthatthetheanomalous‘conductivity’wasdeterminedbythreedifferentmechanismsinthreedistinctzonesoftheplasma<1>forq<1.Probablyconvectivetransportformthem=1interaldisruptiondominates<2>forthe‘maingradientregions’

betweentheq=1andq=2surface.Theinferredconductivityhasitslowestvalues<3>q>2theinferredconductiverisedramaticallyandmayberelatedtoMHDactivityassociatedwiththeq=2surfacewhichleadstoconvectivetransport托卡马克密度涨落、约束改善及剖面梯度量分布的联系密51

从八十年代到九十年代初期，关于托卡马克等离子体内部湍流和输运的实验研究表明，寻找普遍的适用的二者联系是不成熟的。insteadwewillhavetorelyontestingvariousmodels,beingcarefulthatspatialasymmetriesarelookforandifpresentaccountedfor.becauseanunderstandingoftheturbulenceimpliesthatwehaveamodeltoexplainit.Therearethreereasonsmakeussayso:fistcomestheproblemofpossiblegeometricasymmetries,neitherapointnoralineofsightmeasurementofafluctuatingquantityisadequate.secondcomesthechoiceofapplicableturbulenceregime[flux（）2（）1or（）0inquasilinear、strongturbulenceandstochasticregimeshasbeenproposed]howeverweshouldbeabletodistinguishwhichistheapplicableregimefromthemeasurementoftheturbulencemicrostructureitself.Thirdothervaryingplasmaparameters(suchasTe)appearintherelationshipbetweenafluxortransportcoefficientandafluctuationlevel托卡马克等离子体内部的湍流和输运从八十年代到九十年代初期，52

HomodyneopticstestandopticsarrangeinHT-7tokamakCO2LaserprobeBlockBeamsplitterPlasmaK=7~30cm-1FocalizeLensesFocalizeLensesCO2laserplasmaHe-NeLaserdetectorPowersupplyBlockGeZnSereflectorFocalizeLensesImagingmirror

HomodyneopticstestinHT-7tokamakGeHomodyneopticstestandopt53

CO2相干汤姆逊小角散射仪机械框架示意图CO2相干汤姆逊小角54CO2Lasersystem

钼反射镜布氏窗水冷水冷流动工作气体流动工作气体ZnSe输出镜镍电极镍电极能量输出~10w模式TEM00线偏振输出CO2Lasersystem55Detectorsystem

HgCrTeprobepreamplifierHighpasserAmplifierFilterComputerLonglinetransportDetectorsystem56CO2激光散射原始信号Ne=1.5E+19M-3k=8.8cm-1

CO2激光散射原始信号Ne=1.5E+19M-3k=57CO2激光散射原始信号Ne=2.0E+19M-3k=11cm-1

LHCD+ICH

CO2激光散射原始信号Ne=2.0E+19M-3k=58

杂质逐渐增加条件下芯部密度涨落监测

芯部涨落幅值与密度相关联(无破裂及强MHD),频谱线宽与温度相关，与软x辐射强度相关，当石墨探针逐渐伸入等离子体、碳含量逐渐增加，杂质辐射增强，等离子体温度下降，频谱线宽逐渐变窄、高频成份逐渐降低！K=12cm-1

杂质逐渐增加条件下芯部密度59

60842原始信号60842原始信号60

60842炮FFT变换结果60842炮FFT变换结果61

Shot60843FFT变换结果Shot60843FFT变62

Shot60844FFT变换结果Shot60844FFT63

60842傅氏变换结果680~880ms60842傅氏变换结果64

60843傅氏变换结果680~880ms60843傅氏变换结果65

60844傅氏变换结果680~880ms60844傅氏变换结果66模式的变化？

密度涨落频谱的宽度—般认为反映了湍流的驱动力强度，温度升高，频谱加宽，频谱的高频成份增加。托卡马克约束改善的本质就是减少湍流的驱动力，减少反常输运的能量损失。因此、无论是H模、还是ITB模期间，相应的频谱宽度都变窄。而密度涨落的幅值并不一定变小，下面60836、60837两炮在550~850ms期间可能存在模式的变化。K=12cm-1模式的变化？密度涨落频谱的6760836FFT变换结果注意550~850ms

60836FFT变换结果注意550~850ms6860837FFT变换结果注意550~850ms

60837FFT变换结果注意550~850ms6960836傅氏变换结果时间段550~850ms

60836傅氏变换结果时间段550~850ms7060837傅氏变换结果时间段550~850ms

60837傅氏变换结果时间段550~850ms71444~454ms

444~454ms72444~454ms

444~454ms73

MHD幅值与芯部密度涨落的关联

一般认为反常输运与高阶MHD相关，高阶MHD存在于托卡马克外层等离子体或边界，低幅值的MHD与芯部关联不大，高幅值MHD可导致破裂，但高幅值MHD与芯部密度涨落关联的系统实验研究文章我未见过，边界与芯部涨落、涨落的低频(MHD)与高频(相对)之间的关系。这是十分有意思的研究课题