穩(wěn)態(tài)磁約束環(huán)等離子體輸運相關問題的實驗研究.pdf

1、本論文主要研究了穩(wěn)態(tài)磁約束等離子體環(huán)中一種重要的粒子和能量的輸運結(jié)構(gòu)blob和等離子體在空間上的大尺度極向旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象等。 實驗工作是在中國科學技術大學KT-5D雙功能環(huán)上進行的。作者在成功地研制建立57針的二維小截面高空間分辨(2cm×2cm)探針陣列系統(tǒng)的基礎上，首次使用該陣列獲得了blob從生成到消失的小截面二維圖象：表明了blob產(chǎn)生于等離子體中心區(qū)域的密度峰，并且沿著徑向傳播，導致粒子和能量的輸運；Blob的演化時間尺度在

2、100μs量級，空間尺度在cm量級，橫向速度約為103m/s。 作者又實現(xiàn)了可見光相機的高速采集圖像。以每秒1789幀、曝光80微秒的條件拍攝到了等離子體中blob的時間積分圖象，為上述探針得到的基本結(jié)果，提供了直觀的可見光圖像佐證。 作者還使用這套二維探針陣列，首次探測到小截面上的等離子體大尺度極向旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。極向旋轉(zhuǎn)主要發(fā)生在低場側(cè)，旋轉(zhuǎn)的速度在103fnls量級，空間尺度超過了厘米量級。 論文中對形成blob

3、的密度結(jié)構(gòu)與E×B流之間關系進行了分析，支持了E×B流對密度流的剪切可以在等離子體中形成blob的觀點，這種剪切引起高場側(cè)和低場側(cè)的對流，導致了與blob相關的粒子和能量的徑向輸運損失。結(jié)果表明blob可能是徑向粒子損失的主導機制。 論文應用小波分析方法，表明blob在時域上具有一定的間隙陣發(fā)特性，而大尺度極向旋轉(zhuǎn)具有周期性。這種周期性，為穩(wěn)態(tài)裝置離子飽和流以及懸浮電位的自功率譜中普遍存在的kHz量級的峰，提供了一種可能的解釋。

4、 此外，論文還表明這種大尺度旋轉(zhuǎn)引起的電流，可能導致一種抵消垂直方向電荷分離的作用，這種分離來源于穩(wěn)態(tài)環(huán)位形造成的異號電荷的反向漂移。旋轉(zhuǎn)運動減弱了相應漂移的垂直電場，從而使粒子約束改善。 適當?shù)拇怪眻鲆簿哂忻黠@改善等離子體粒子約束的作用。這是因為垂直場決定了Helimak位形的磁場剪切，從而決定了粒子的橫向運動損失與順磁力線運動損失之間的相對大小。實驗表明，要想得到最高的等離子體密度和溫度，并不是垂直場越大越好，對于一

5、個確定的穩(wěn)態(tài)環(huán)裝置，獲得最佳約束的垂直場與縱場之相對大小，與裝置的大小半徑尺度有關，存在著一個最優(yōu)的比值。 論文還通過對探針信號的統(tǒng)計學分析，討論了blob、大尺度極向旋轉(zhuǎn)與垂直場帶來的磁剪切的關系。分析表明磁剪切會減弱大尺度極向旋轉(zhuǎn)。適當改變垂直場以變化磁剪切，可以有效地抑制blob引起的輸運。 論文還介紹了作者在其他各項硬件方面的新工作，包括：穩(wěn)態(tài)縱場的電源系統(tǒng)的優(yōu)化改造；穩(wěn)態(tài)放電時序控制系統(tǒng)的建立；垂直微波注入系統(tǒng)