CO相干汤姆逊小角激光散射诊断简要介绍

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

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)

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CO2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。

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

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

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

HomodyneopticstestinHT-7tokamakGe

CO2相干汤姆逊小角散射仪机械框架示意图CO2Lasersystem

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DetectorsystemHgCrTeprobepreamplifierHighpasserAmplifierFilterComputerLonglinetransportCO2激激光散射射原始信信号Ne=1.5E+19M-3k=8.8cm-1CO2激光光散射原始始信号Ne=2.0E+19M杂质逐渐增增加条件下下芯部密度度涨落监测测芯部涨落幅幅值与密度度相关联(无破裂及及强MHD),频谱谱线宽与温温度相关，，与软x辐辐射强度相相关，当石石墨探针逐逐渐伸入等等离子体、、碳含量逐逐渐增加，，杂质辐射射增强，等等离子体温温度下降，，频谱线宽宽逐渐变窄窄、高频成成份逐渐降降低！K=12cm-160842原始信号号60842炮FFT变换结果果Shot60843FFT变变换结果Shot60844FFT变换结果果60842傅氏变变换结果680~880ms60843傅氏变变换结果680~880ms60844傅氏变变换结果680~880ms模式的变化化？密度涨落频频谱的宽度度—般认为为反映了湍湍流的驱动动力强度，，温度升高高，频谱加加宽，频谱的高频频成份增加加。托卡卡马克约束束改善的本本质就是减减少湍流的的驱动力，，减少反常常输运的能量量损失。因因此、无论论是H模、、还是ITB模期间间，相应的的频谱宽度度都变窄。。而密度涨落落的幅值并并不一定变变小，下面面60836、60837两两炮在550~850ms期期间可能存存在模式的变变化。K=12cm-160836FFT变变换结果注注意550~850ms60837FFT变换结果注注意550~850ms60836傅氏变换换结果时时间段550~850ms60837傅氏变换换结果时时间段550~850ms444~454ms444~454msMHD幅值值与芯部密密度涨落的的关联一般认为反反常输运与与高阶MHD相关，，高阶MHD存在于于托卡马克克外层等离离子体或边边界，低幅幅值的MHD与芯部部关联不大大，高幅值值MHD可可导致破裂裂，但高幅幅值MHD与芯部密密度涨落关关联的系统统实验研究究文章我未未见过，边边界与芯部部涨落、涨涨落的低频频(MHD)与高频频(相对)之间的关关系。这是是十分有意意思的研究究课题。本本轮实验观观察的许多多炮发现低低幅值MHD与芯部部密度涨落落之间并无无直接的关关联。Shot60861是充分发发展的MHD振荡,芯部密度度涨落信号号分析二者者有关联,但频谱的的波段显然然不同。Shot60861电流爬坡实实验及相应应的现象在密度不变变的条件下下，电流爬爬升可产生生（1）等等离子体加加热，（2）模式转转换（3））其它物理理现象60873炮在初期期有明显的的加热效应应，频谱逐逐渐加宽。。随着一个个未知的50~90kHz扰扰动的产生生（280~630ms），，加热效应应结束。随随着扰动的的终结，锯锯齿振荡开开始产生。。这个扰动动是什么？？60873电流爬升升FFT变变换结果60873傅氏变换换56~180ms60873傅氏变换换180~280ms60873傅氏变换换280~380ms60873傅氏变换换380~630ms60873傅氏变换换630~823ms60873傅氏变换换823~900ms充Ne实验验国外脉冲杂杂质注入杂杂质实验显显示，初期期温度下降降、频谱变变窄，大约约—个能量量约束时间间后，频频谱线型回回复到原型型。下面是是HT-7注入Ne的实验频频谱线型的的变化。424~434ms充充Ne前434~444ms充充Ne中中444~454ms454~464ms464~474ms9、静夜四无无邻，荒居居旧业贫。。。12月-2212月-22Tuesday,December20,202210、雨中黄黄叶树，，灯下白白头人。。。17:42:1717:42:1717:4212/20/20225:42:17PM11、以我独独沈久，，愧君相相见频。。。12月-2217:42:1717:42Dec-2220-Dec-2212、故人江海海别，几度度隔山川。。。17:42:1717:42:1717:42Tuesday,December20,202213、乍见翻疑疑梦，相悲悲各问年。。。12月-2212月月-2217:42:1717:42:17December20,202214、他他乡乡生生白白发发，，旧旧国国见见青青山山。。。。20十十二二月月20225:42:17下下午午17:42:1712月月-2215、比不不了得得就不不比，，得不不到的的就不不要。。。。。十二月月225:42下下午午12月月-2217:42December20,202216、行动动出成成果，，工作作出财财富。。。2022/12/2017:42:1717:42:1720December202217、做前，，能够环环视四周周；做时时，你只只能或者者最好沿沿着以脚脚为起点点的射线线向前。。。5:42:17下午午5:42下午午17:42:1712月-229、没有失失败，只只有暂时时停止成成功！。。12月-2212月-22Tuesday,December20,202210、很多事事情努力力了未必必有结果果，但是是不努力力却什么么改变也也没有。。。17:42:1717:42:1717:4212/20/20225:42:17PM11、成功就是日日复一日那一一点点小小努努力的积累。。。12月-2217:42:1717:42Dec-2220-Dec-2212、世间成事，，不求其绝对对圆满，留一一份不足，可可得无限完美美。。17:42:1717:42:1717:42Tuesday,December20,202213、不知知香积积寺，，数里里入云云峰。。。12月月-2212月月-2217:42:1717:42:17December20,202214、意志志坚强强的人人能把把世界界放在在手中中像泥泥块一一样任任意揉揉捏。。20十十二二月20225:42:17下下午17:42:1712月月-2215、楚塞塞三湘湘接，，荆门门九派派通。。。。。十二月月225:42下下午午12月月-2217:42December20,202216、少年十十五二十十时，步步行夺得得胡马骑骑。。2022/12/2017:42:1717:42:1720December202217、空山新新雨后，，天气晚晚来秋。。。5:42:17下午午5:42下午午17:42:1712月-229、杨柳散和风风，青山澹吾吾虑。。12月-2212月-22Tuesday,December20,202210、阅阅读读一一切切好好书书如如同同和和过过去去最最杰杰出出的的人人谈谈话话。。17:42:1717:42:1717:4212/20/20225