J-TEXT粒子輸運(yùn)的密度調(diào)制實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)而持續(xù)的核聚變反應(yīng)，需要提高等離子體密度和溫度，并對(duì)能量和粒子約束足夠的時(shí)間，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)建立在對(duì)基本輸運(yùn)過程深入理解的基礎(chǔ)上，因此等離子體輸運(yùn)一直是磁約束聚變的一個(gè)主要研究方向。目前世界上幾乎所有的托卡馬克裝置都開展了輸運(yùn)方面的研究，并取得了豐碩的成果，但是距離理解輸運(yùn)的物理機(jī)制還有一定的距離。因此，研究粒子輸運(yùn)是一項(xiàng)重要性和挑戰(zhàn)性十足的工作。
　　研究粒子輸運(yùn)的方法有很多，其中最直接的是測量粒子輸運(yùn)系數(shù)。實(shí)驗(yàn)上測量

2、粒子輸運(yùn)系數(shù)最常用的手段是對(duì)等離子體密度進(jìn)行周期性調(diào)制。通過密度調(diào)制實(shí)驗(yàn)研究粒子輸運(yùn)，需要1）擁有足夠測量精度、測量道數(shù)的密度診斷；2）得到等離子體密度隨時(shí)間的剖面演化關(guān)系；3）可控的加料手段，實(shí)現(xiàn)滿足要求的密度擾動(dòng)；4）建立一套密度調(diào)制實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析方法，實(shí)現(xiàn)測量粒子輸運(yùn)系數(shù)的目的。
　　高精度的密度測量系統(tǒng)是粒子輸運(yùn)研究的前提，而現(xiàn)有的J-TEXT干涉儀并不滿足粒子輸運(yùn)研究的要求。為此，對(duì)干涉儀進(jìn)行如下升級(jí)：1）大幅提升激光器

3、的輸出特性，實(shí)現(xiàn)了輸出功率提升2.4倍，功率穩(wěn)定性時(shí)間提升2.3倍的躍變。2）通過升級(jí)光路布局和機(jī)械結(jié)構(gòu)，優(yōu)化探頭，將密度信號(hào)中振動(dòng)分量由50％以上抑制到信號(hào)噪聲水平，同時(shí)大幅提升中頻信號(hào)信噪比。最終建成了等離子體密度測量精度為1017m-3量級(jí)，時(shí)間分辨率為0.1ms，空間分辨率為50mm，測量道數(shù)為7道的非對(duì)稱分布的遠(yuǎn)紅外（FIR）氰化氫（HCN）干涉儀。
　　其次，發(fā)展了成功率達(dá)97%的密度翻轉(zhuǎn)算法，設(shè)計(jì)了基于快速傅里葉變換

4、的軟件相位差計(jì)，相比硬件相位差計(jì)，進(jìn)一步提高了密度信號(hào)的信噪比。在高精度密度測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，編寫了一套采用了基于三次樣條函數(shù)的Abel反演算法，得到等離子體電子密度剖面的時(shí)空演化。
　　接著，基于粒子輸運(yùn)方程發(fā)展了三套不同的粒子輸運(yùn)系數(shù)算法，并驗(yàn)證他們可行性與正確性。通過初步開展密度調(diào)制實(shí)驗(yàn)，對(duì)可能影響密度調(diào)制實(shí)驗(yàn)和輸運(yùn)系數(shù)的參量（送氣波形、調(diào)制頻率和調(diào)制幅度）進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，分析了它們對(duì)輸運(yùn)的影響，最終確定了符合J-TEXT

5、粒子輸運(yùn)研究的實(shí)驗(yàn)方案。
　　最后，對(duì)比了兩種密度調(diào)制手段——超聲分子束注入和普通送氣，總結(jié)出了J-TEXT典型參數(shù)下的輸運(yùn)系數(shù)。1）通過螺旋場產(chǎn)生的密度泵出，確定了密度峰化影響粒子約束的機(jī)制為擴(kuò)散系數(shù)減小一半以上，對(duì)流速度增大一倍以上，粒子約束時(shí)間增加50%。2）研究了密度極限破裂下的粒子輸運(yùn)行為，發(fā)現(xiàn)了破裂前擴(kuò)散系數(shù)不斷減小，對(duì)流速度基本不變，總體增強(qiáng)徑向向內(nèi)的粒子流，使等離子密度剖面不斷峰化。破裂時(shí)對(duì)流速度顯著增強(qiáng)（~25%