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磁轴EAST托卡马克上电子回旋辐射成像与锯齿重联物理实验

收藏本文 2024-04-22 点赞:35567 浏览:160211 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:本论文的主要工作分为两大部分:第一部分为EAST托卡马克上ECEI光学系统的设计研制和整套ECEI系统在EAST托卡马克上的搭建工作;第二部分为利用该套ECEI诊断系统探讨了EAST托卡马克中的锯齿不稳定性等MHD现象。第一部分,本论文根据EAST托卡马克的实际情况,在利用原有HT-7装置电子回旋辐射成像(ECEI)诊断系统的探测器和电子学部分的基础上,设计了适合EAST托卡马克的全新的ECEI光学透镜系统。这套系统具有4P和两种运转方式,其中4P方式具有较高的空间分辨能力,而方式具有更好的成像定位稳定性,通过加减一块透镜即可以方便地实现两种方式之间的转换,这样就实现了整套系统在获得高空间分辨率的同时,还具有高度的灵活性及适应性。在设计中针对EAST托卡马克中ECEI光路过长,系统的球差不足比较严重等不足,我们加入了非球面透镜—双曲面透镜,有效的解决了整套光学系统的串扰以及球差等不足。此外,我们根据EAST托卡马克周围空间环境的限制不足,设计研制了一套灵活且调节方便的光学透镜支撑调节系统。改善后的适用于EAST托卡马克上的ECEI诊断系统的空间覆盖范围:20cm(P)×6cm(R),并且具有各道比较均衡的高空间分辨率(1厘米级)和高时间分辨率(0.5-1微秒级)。第二部分,本论文在全面完成这套新ECEI系统的台面测试和在EAST装置窗口上的实地安装调试后,成功地将其运用于EAST装置近年来历次的实验中。我们利用该诊断系统探讨了EAST托卡马克中各类磁流体力学不定性,并取得的若干重要的实验结果:首先,我们利用ECE成像诊断高空间分辨和高时间响应的特点,并结合MHD不稳定性爆发时的所体现的特点,进展了一套测量EAST磁轴的策略。其次,本论文利用ECE成像诊断对EAST中欧姆放点条件下可能出现的锯齿进行了分类,并对各类的锯齿成像演化特点做了简单浅析,具体概括为:(1).当等离子体比压较高而qa较低时,低的qa意味着较大的q~1反转半径并对应比较平坦分布的q(r),此时的锯齿称为DI,这类锯齿的前兆振荡体现为m/n=1/1及其高阶模共存;而当等离子体比压降低且qa保持不变时,此时容易激发特点锯齿DH,这类锯齿具有复合锯齿的特点。(2).当等离子体比压较低而qa较高时,此时的锯齿称为特点锯齿A,该锯齿演化历程中具有一定的气球模特点。(3).当等离子体比压和qa适中时,锯齿演化可以通过Porcelp不完全重联模型描述,而锯齿的现象特点可以用H.K. Park实验结果所描述。此外,在偏滤器位形的ICRF加热条件下观察到特点锯齿E,这类锯齿体现为中兆振荡的特点。同时,我们在偏滤器位形下还观察到特点锯齿F和G,这两类锯齿分别体现为后兆振荡和无前兆振荡。第三,本论文利用ECE成像诊断观察了撕裂模m/n=2/1在q~1反转面的耦合模特点,并在实验上首次给出了该耦合模的空间分布特点。而这种耦合模发生在锯齿前兆振荡之前,并随锯齿前兆振荡模的出现而消失,有着时间约2-4ms。我们初步估测,这种耦合模极大程度上影响了锯齿的演化特点。关键词:ECE成像诊断论文EAST托卡马克论文锯齿不稳定性论文磁重联论文撕裂模环耦合论文磁轴论文

    摘要5-7

    Abstract7-9

    目录9-12

    第一章 MHD论述及锯齿和撕裂模耦合探讨近况12-66

    本章导言12

    1.1 磁约束聚变12-15

    1.1.1 托卡马克12-13

    1.1.2 国际热核聚变实验反应堆ITER13

    1.1.3 EAST托卡马克13-15

    1.2 MHD基本论述15-28

    1.2.1 MHD基本方程组15-16

    1.2.2 MHD力学平衡16-18

    1.2.3 托卡马克平衡18

    1.2.4 MHD不稳定性浅析策略18-20

    1.2.5 MHD不稳定性分类20-26

    1.2.6 MHD模结构26-28

    1.3 锯齿不稳定性的论述及实验探讨概况28-37

    1.3.1 锯齿的特点参数28-30

    1.3.2 锯齿的论述实验探讨概况30-37

    1.4 锯齿不稳定性几种模型37-60

    1.4.1 Sweet-Parker重联模型37-38

    1.4.2 完全重联模型38-43

    1.4.3 不完全重联模型43-51

    1.4.4 准交换模型51-52

    1.4.5 三维局域重联模型52-59

    1.4.6 随机重联模型59-60

    1.5 撕裂模的环向耦合探讨60-66

    第二章 ECEI诊断系统及数据浅析策略66-88

    本章导言66

    2.1 电子回旋辐射诊断原理66-70

    2.1.1 单电子辐射66-67

    2.1.2 等离子体辐射67-68

    2.1.3 等离子体辐射输运68-70

    2.2 ECEI运用EAST上的考虑70-74

    2.2.1 EAST上ECE诊断的可近性70-71

    2.2.2 ECEI径向空间分辨71-74

    2.3 ECE成像诊断系统74-81

    2.3.1 光学成像系统75

    2.3.2 信号接收与预处理系统75-79

    2.3.3 中频信号处理系统79-80

    2.3.4 数据采集系统80-81

    2.4 数据浅析策略81-88

    2.4.1 Fourier浅析策略82-83

    2.4.2 小波浅析策略83-88

    第三章 ECEI系统在EAST的运用88-106

    本章导言88

    3.1 光学背景知识88-95

    3.1.1 几何光学88-89

    3.1.2 高斯光学89-92

    3.1.3 高斯光束传输ABCD定律92-93

    3.1.4 微波高斯光学运用93-94

    3.1.5 双曲面透镜94-95

    3.2 光学设计软件和设计因素考虑95-96

    3.3 EAST上ECEI光学系统的三种案例96-100

    3.3.1 双曲面透镜97

    3.3.2 透镜案例97-98

    3.3.3 4P透镜案例98-100

    3.3.4 二次成像透镜案例100

    3.4 光学系统及性能调试100-106

    第四章 EAST托卡马克中MHD现象的实验探讨106-142

    本章导言106-107

    4.1 定位磁轴及内部磁位形107-113

    4.1.1 策略介绍107-109

    4.1.2 策略运用109-113

    4.2 锯齿成像的实验探讨113-138

    4.2.1 特点锯齿A113-116

    4.2.2 特点锯齿B116-124

    4.2.3 特点锯齿C124-127

    4.2.4 特点锯齿D127-133

    4.2.5 几类限制器位形下锯齿演化特点的比较133-134

    4.2.6 特点锯齿E134-135

    4.2.7 特点锯齿F135-137

    4.2.8 特点锯齿G137-138

    4.3 撕裂模环耦合的实验探讨138-142

    第五章 总结与展望142-146

    5.1 探讨结果总结142-143

    5.1.1 硬件系统142

    5.1.2 物理实验结果142-143

    5.2 探讨结果展望143-146

    附录A 基本参数146-152

    A.1 等离子体的基本参量146-147

    A.2 物理常数147

    A.3 矢量公式147-148

    A.4 托卡马克参数148-152

    附录B EAST装置参数及部分放电参数152-154

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