球位形下旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動Rotamak等離子體電流的理論分析.pdf

1、Rotamak是一種緊湊的球形等離子體磁約束裝置，它與傳統(tǒng)的Tokamak磁約束裝置不同。Tokamak中的等離子體電流是由歐姆脈沖放電獲得的，而Rotamak中的等離子體電流是由旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動的。當旋轉(zhuǎn)磁場的頻率滿足ωci＜＜ω＜＜ωce時，離子被認為是靜止的本底，電子被旋轉(zhuǎn)磁場捕獲隨其以相同的頻率旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生等離子體電流。 目前在研究旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動等離子體電流的理論中幾乎均采用直柱近似。柱坐標下雖然簡化了分析和計算，但實際的裝

2、置不能是無限長的直柱，球形位形可能產(chǎn)生的非線性效應(yīng)也因此得不到認識。因此有必要在球坐標下對 Rotamak中旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動等離子體電流的基礎(chǔ)過程進行分析，在真實位形下研究旋轉(zhuǎn)磁場的滲透過程、電流驅(qū)動效率、磁場位形結(jié)構(gòu)等。 本論文從麥克斯韋方程組和歐姆定律方程出發(fā)，利用球位形的對稱性和磁場的散度等于零的特點，將磁場在矢量球函數(shù)下進行展開，并得到了各分量的方程，再利用 Crank-Nicolson有限差分方法編程計算了無縱場情況下的磁

3、場方程，最后分析了球形位形下旋轉(zhuǎn)磁場的滲透過程、電流驅(qū)動效率、磁場位形結(jié)構(gòu)等。 計算表明旋轉(zhuǎn)磁場與等離子體作用過程中，有一個由邊緣向中間的滲透過程，滲透時間在采用的計算參數(shù)下約為0.5個旋轉(zhuǎn)磁場振蕩周期，對應(yīng)其驅(qū)動的等離子體電流由邊緣向中心不斷發(fā)展。當無外加垂直場時，電流驅(qū)動效率呈現(xiàn)開始階段的快速上升、中間階段的緩慢上升到最后趨于飽和的過程。當有外加垂直場時，電流驅(qū)動效率存在下降的過程。分析表明，外加垂直場能有效提高電流驅(qū)動效率

4、。 計算還顯示在球形位形下，旋轉(zhuǎn)磁場與等離子體相互作用，除了產(chǎn)生等離子體電流外，還產(chǎn)生了在 Rotamak中左右兩個半球方向相反，大小相等的縱向磁場。當無外加垂直場時，自產(chǎn)生縱場的最大值約為外加旋轉(zhuǎn)磁場的2％。當有外加垂直場時，自產(chǎn)生縱場的最大值約為外加旋轉(zhuǎn)磁場的4％。此磁場在開始的旋轉(zhuǎn)磁場滲透階段，為不但左右兩個半球方向上反向，同時在徑向上也相反的四極縱場。當驅(qū)動電流飽和后，縱場也穩(wěn)定為雙向雙極場。我們的計算結(jié)果很好的再現(xiàn)了在