CO相干汤姆逊小角激光散射诊断介绍

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激激光散射射原始信信号Ne=2.0E+19M-3k=11cm-1LHCD+ICH杂质逐渐渐增加条条件下芯芯部密度度涨落监监测芯部涨落落幅值与与密度相相关联(无破裂裂及强MHD),频谱谱线宽与与温度相相关，与与软x辐辐射强度度相关，，当石墨墨探针逐逐渐伸入入等离子子体、碳碳含量逐逐渐增加加，杂质质辐射增增强，等等离子体体温度下下降，频频谱线宽宽逐渐变变窄、高高频成份份逐渐降降低！K=12cm-160842原始始信号60842炮FFT变变换结果果Shot60843FFT变变换结果果Shot60844FFT变换结结果60842傅傅氏变换换结果680~880ms60843傅傅氏变换换结果680~880ms60844傅傅氏变换换结果680~880ms模式的变变化？密度涨落落频谱的的宽度——般认为为反映了了湍流的的驱动力力强度，，温度升升高，频频谱加宽宽，频谱的高高频成份份增加。。托卡卡马克约约束改善善的本质质就是减减少湍流流的驱动动力，减减少反常常输运的能能量损失失。因此此、无论论是H模模、还是是ITB模期间间，相应应的频谱谱宽度都都变窄。。而密度涨涨落的幅幅值并不不一定变变小，下下面60836、60837两炮在在550~850ms期间可可能存在模式的的变化。。K=12cm-160836FFT变换换结果注注意550~850ms60837FFT变换结果果注意意550~850ms60836傅氏氏变换结结果时时间段550~850ms60837傅氏氏变换结结果时时间段550~850ms444~454ms444~454msMHD幅幅值与芯芯部密度度涨落的的关联一般认为为反常输输运与高高阶MHD相关关，高阶阶MHD存在于于托卡马马克外层层等离子子体或边边界，低低幅值的的MHD与芯部部关联不不大，高高幅值MHD可可导致破破裂，但但高幅值值MHD与芯部部密度涨涨落关联联的系统统实验研研究文章章我未见见过，边边界与芯芯部涨落落、涨落落的低频频(MHD)与与高频(相对)之间的的关系。。这是十十分有意意思的研研究课题题。本轮轮实验观观察的许许多炮发发现低幅幅值MHD与芯芯部密度度涨落之之间并无无直接的的关联。。Shot60861是充充分发展展的MHD振荡荡,芯部部密度涨涨落信号号分析二二者有关关联,但但频谱的的波段显显然不同同。Shot60861电流爬坡坡实验及及相应的的现象在密度不不变的条条件下，，电流爬爬升可产产生（1）等离离子体加加热，（（2）模模式转换换（3））其它物物理现象象60873炮在初初期有明明显的加加热效应应，频谱谱逐渐加加宽。随随着一个个未知的的50~90kHz扰扰动的产产生（280~630ms）），加热热效应结结束。随随着扰动动的终结结，锯齿齿振荡开开始产生生。这个个扰动是是什么？？60873电流流爬升FFT变变换结果果60873傅氏氏变换56~180ms60873傅氏氏变换180~280ms60873傅傅氏变换280~380ms60873傅傅氏变换380~630ms60873傅傅氏变换630~823ms60873傅傅氏变换823~900ms充Ne实验国外脉冲杂质质注入杂质实实验显示，初初期温度下降降、频谱变窄窄，大约—个个能量约束时时间后，频频谱线型回复复到原型。下下面是HT-7注入Ne的实验频谱谱线型的变化化。424~434ms充充Ne前前434~444ms充充Ne中444~454ms454~464ms464~474ms总结结CO2相干激激光散射仪经经过经验的摸摸索和实验的的检验、证明明己能正常工工作。初步进行的实实验有（1））等离子体密密度扫描及密密度爬升实验验（2）纵场场扫描实验（3）LHCD+ICH实验监测(~70炮)（4）充Ne实验、探探针实验及其其它实验；有效采集炮数数~240。。目前散射仪理理想工作的密密度是大于1E+19M-3，曾在~0.7E+19M-3下工作随着仪器最佳佳工作参数的的确定，其工工作密度范围围将会拓宽。。散射仪还有许许多功能有待待拓广（1））多K谱实时时监测（2））空间多道监监测（3）非零频频外差(区分分湍流流向)感谢运行组老老师们的大力力支持，特别别是物理、运运行三组的支支持！9、静夜四无无邻，荒居居旧业贫。。。12月-2212月-22Tuesday,December20,202210、雨中黄叶树树，灯下白头头人。。17:42:1117:42:1117:4212/20/20225:42:11PM11、以我我独沈沈久，，愧君君相见见频。。。12月月-2217:42:1117:42Dec-2220-Dec-2212、故人人江海海别，，几度度隔山山川。。。17:42:1117:42:1117:42Tuesday,December20,202213、乍见翻疑梦梦，相悲各问问年。。12月-2212月-2217:42:1117:42:11December20,202214、他乡生生白发，，旧国见见青山。。。20十十二月20225:42:11下午午17:42:1112月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。。十二二月月225:42下下午午12月月-2217:42December20,202216、行行动动出出成成果果，，工工作作出出财财富富。。。。2022/12/2017:42:1117:42:1120December202217、做前前，能能够环环视四四周；；做时时，你你只能能或者者最好好沿着着以脚脚为起起点的的射线线向前前。。。5:42:11下下午5:42下下午午17:42:1112月月-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。。。17:42:1117:42:1117:4212/20/20225:42:11PM11、成功就是是日复一日日那一点点点小小努力力的积累。。。12月-2217:42:1117:42Dec-2220-Dec-2212、世间成事事，不求其其绝对圆满满，留一份份不足，可可得无限完完美。。17:42:1117:42:1117:42Tuesday,December20,202213、不知知香积积寺，，数里里入云云峰。。。12月月-2212月-2217:42:1117:42:11December20,202214、意志坚坚强的人人能把世世界放在在手中像像泥块一一样任意意揉捏。。20十十二月20225:42:11下午午17:42:1112月-2215、楚塞三湘湘接，荆门门九派通。。。。十二月225:42下下午12月-2217:42December20,202216、少年十五五二十时，，步行夺得得胡马骑。。。2022/12/2017:42:1117:42:1120December202217、空山新雨雨后，天气气晚来秋。。。5:42:11下下午5:42下下午17:42:1112月-229、杨杨柳柳散散和和风风，，青青山山澹澹吾吾虑虑。。。。12月月-2212月月-22Tuesday,December20,202210、阅读一切切好书如同同和过去