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J-TEXT托卡马克装置上电子温度涨落的实验研究

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J-TEXT托卡马克装置上电子温度涨落的实验研究

作者：张亚萍华中科技大学

学位级别：硕士

在磁约束核聚变装置中,由微观湍流引起的反常输运会造成能量和粒子的损失,进而降低等离子体约束性能。近年来,关于等离子体湍流输运的相关研究有很多方面。然而,迄今为止聚变等离子体中湍流输运的许多问题仍然有待研究,例如湍流的激发... 详细信息

在磁约束核聚变装置中,由微观湍流引起的反常输运会造成能量和粒子的损失,进而降低等离子体约束性能。近年来,关于等离子体湍流输运的相关研究有很多方面。然而,迄今为止聚变等离子体中湍流输运的许多问题仍然有待研究,例如湍流的激发、演化和饱和的相关物理机制,以及如何合理控制湍流驱动能量和粒子输运等。因此,开展湍流及热输运的相关实验研究对实现受控核聚变有重要的意义。本文以J-TEXT托卡马克为实验平台,通过相关电子回旋辐射计(CECE)测量电子温度涨落开展了一系列湍流与电子热输运的相关研究。首先,本文利用共振扰动场(RMP)激发静态磁岛,系统地观测了磁岛对电子温度涨落的影响。实验结果发现磁岛区域的电子温度涨落与密度涨落都显著下降。通过扫描磁岛相位发现,磁岛X点区域的电子温度涨落水平与磁岛激发前的电子温度涨落水平基本相当。此外,磁岛X点的湍流水平显著高于磁岛O点的湍流水平。分析结果表明磁岛会显著影响等离子体背景梯度进而改变湍流分布。其次,本文在J-TEXT装置上首次系统地研究了电子回旋共振加热(ECRH)下的电子温度涨落及热输运。实验结果发现,在等离子体密度较低的情况下,相比欧姆加热的等离子体,ECRH加热下的电子热扩散系数与长波电子温度涨落同时增加。通过ECRH加热功率扫描发现电子热扩散系数和长波电子温度涨落的随着ECRH功率的增加逐渐增加,表明长波电子温度涨落在电子热输运中占重要的角色。通过扫描等离子体密度参数发现,欧姆加热下的电子热扩散系数和电子温度涨落水平随着密度的增加而逐渐减小。然而,在ECRH加热的等离子体中,随着密度的增加,长波电子温度涨落逐渐减少,但电子热扩散系数却没有出现一致的减小,这表明此时驱动电子热输运的湍流模式发生了变化,短波电子温度涨落可能成为驱动电子热输运的主演角色。最后,本文利用GENE代码进行了实验的线性不稳定性模拟研究。磁岛的相关模拟结果进一步解释了实验现象并验证了该实验结论。ECRH实验的相关模拟结果表明在较低密度下,ECRH加热下TEM是导致电子热输运与电子温度涨落增加的主导湍流模式。而在高密度下,TEM湍流趋于被抑制,ETG湍流可能成为驱动电子热输运的主导湍流模式。

关键词：电子温度涨落磁岛密度涨落等离子体热输运微观湍流

J-TEXT上相关电子回旋辐射系统对电子温度涨落测量的实验研究

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J-TEXT上相关电子回旋辐射系统对电子温度涨落测量的实验研究

作者：张弛华中科技大学

学位级别：硕士

在托卡马克等离子体的放电过程中,需要有良好的约束条件。但在许多的等离子体放电过程中,会发现远高于新经典理论所预言的输运现象,即反常输运现象,这严重影响等离子体约束性能。研究发现反常输运现象与等离子体的密度涨落、温度涨落、... 详细信息

在托卡马克等离子体的放电过程中,需要有良好的约束条件。但在许多的等离子体放电过程中,会发现远高于新经典理论所预言的输运现象,即反常输运现象,这严重影响等离子体约束性能。研究发现反常输运现象与等离子体的密度涨落、温度涨落、电场涨落、磁场涨落等各种涨落有关。相关电子回旋辐射(CECE)诊断系统能够较好的获得等离子体电子温度涨落信息。CECE是通过相关性分析,将淹没在热噪声中的低幅值电子温度涨落信息提取出来。在过去的20多年中,世界上的各大聚变装置都先后建立了CECE系统,以期获得电子温度涨落信息。J-TEXT装置上近期也发展了一套相关电子回旋辐射诊断系统。本论文介绍了新的CECE系统的设计建立。该套系统主要由前端光路、射频单元、中频单元,以及采集系统组成。托卡马克中等离子体辐射出的微波信号经过一套提高分辨率的光路系统后,由喇叭天线接收,传到射频单元,混频后的中频信号进入CECE的中频单元。在中频单元中,信号先经过一个低噪声功率放大器,再由两个可调衰减将信号衰减到合适大小,然后由一个八路功分器将信号分为八道,分别进入窄带滤波器进行滤波。八个滤波器中有两个为定频滤波器,中心频率分为8.0GHz和8.2GHz;两个为中心频率可调的YIG滤波器,调节范围为6-18GHz;其余四个为中心频率可调范围在4-18GHz的YIG滤波器。信号经过中频滤波器之后,再经过隔直器,检波器,视频放大板,最后通过一个2M的数字采集后进行数据分析。J-TEXT上通过CECE可以在同一次放电下获得不同半径处的电子温度涨落信息。统计发现在边缘处的等离子体温度涨落相对于芯部位置涨落水平较大。在一定的范围内,等离子体电流增大时,电子温度涨落水平有增大的趋势。而在同一等离子体电流的放电条件下,当密度增加时,等离子体电子温度涨落有增大的趋势。通过互功率谱分析,还可以看到等离子体温度涨落的频率。

关键词：托卡马克等离子体相关电子回旋辐射电子温度涨落

用于测量EAST等离子体小幅度电子温度涨落的CECE诊断的研制

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用于测量EAST等离子体小幅度电子温度涨落的CECE诊断的研制

作者：曹骑佛中国科学技术大学

学位级别：硕士

在燃烧等离子体中,聚变产物α粒子将首先加热电子,然后通过碰撞加热离子,因而电子热输运是决定聚变堆性能的一个关键因素。而目前对电子热输运的理解相对薄弱,因此有必要进一步研究电子热输运的物理机制。研究电子热输运就需要得到电子... 详细信息

在燃烧等离子体中,聚变产物α粒子将首先加热电子,然后通过碰撞加热离子,因而电子热输运是决定聚变堆性能的一个关键因素。而目前对电子热输运的理解相对薄弱,因此有必要进一步研究电子热输运的物理机制。研究电子热输运就需要得到电子温度、密度以及磁场等物理量的分布、涨落量的幅度以及它们之间的相位关系。本硕士论文的主要目标就是利用相关电子回旋辐射(Correlation Electron Cyclotron Emission,CECE)诊断实现 EAST 等离子体小幅度电子温度涨落的测量,并为将来开展多扰动场(温度场、密度场、磁场)的同时测量打下基础。论文的第一部分工作是设计CECE的准光学天线系统,同时兼顾电子密度涨落测量诊断系统的需求。根据高斯光学设计准则确定了所需要的镜子参数,得到了 CECE诊断对应测量位置的束半径为15.5 mm-18.5 mm,这对应CECE诊断可测量的极向波数范围为k电子回旋辐射信号,并在实验室对这套系统进行了线性度测试和频率响应等测试,得到了较好的结果。利用常规电子回旋辐射诊断(ECE)的准光学系统对新搭建的外差系统进行了等离子体测试,成功地得到了 EAST等离子体的电子温度涨落。利用新设计的高空间分辨准光学系统的等离子体测试正在进行中。

关键词： EAST 等离子体电子热输运电子温度涨落 ECE诊断 CECE诊断准光学系统外差系统

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EAST宽频电子温度涨落特征的实验研究

EAST宽频电子温度涨落特征的实验研究

作者：王荣良中国科学技术大学

学位级别：硕士

在燃烧等离子体中,等离子体芯部核聚变反应产生的α粒子将主要通过电子通道将其动能传递给主离子,从而实现核燃料的自持燃烧。因此,理解电子热输运的物理机制对于预测和提高燃烧等离子体的性能至关重要。在实验上可以测量到的与电子热... 详细信息

在燃烧等离子体中,等离子体芯部核聚变反应产生的α粒子将主要通过电子通道将其动能传递给主离子,从而实现核燃料的自持燃烧。因此,理解电子热输运的物理机制对于预测和提高燃烧等离子体的性能至关重要。在实验上可以测量到的与电子热输运相关的物理量主要包括:描述电子热输运宏观特性的电子热扩散系数和反应微观本质的电子温度涨落、电子密度涨落等。本硕士论文主要利用相关电子回旋辐射（Correlation Electron Cyclotron Emission,CECE）诊断研究了 EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）装置不同等离子体参数下的宽频电子温度涨落的特征,并深入研究了欧姆等离子体中宽频电子温度涨落激发的条件并初步探索了其背后的物理机制。本论文的主要工作分为两部分。第一部分着重讨论电子热输运实验研究中的几个关键物理量的数据分析方法,它们分别是:电子温度涨落、电子温度和密度梯度。确定了计算电子温度涨落的互相关分析的时间长度,获得了更准确的电子温度涨落值。通过对比不同诊断给出的电子温度分布,验证了电子回旋辐射（Electron Cyclotron Emission,ECE）诊断测量的电子温度分布是可靠的。对比了电子温度分布拟合过程中的一系列参数对结果的影响,结果表明:多项式拟合函数的阶数为三阶、平均时间取10 ms时,拟合结果和原始数据符合得最好。并利用拟合的电子温度分布计算了电子温度梯度。通过同样的方法对电子密度分布的拟合进行了优化,获得了较好的拟合结果,并计算了电子密度梯度。第二部分论述EAST不同等离子体参数下的宽频电子温度涨落的特征,具体包括:欧姆密度爬升等离子体,不同辅助加热的L模（L-mode,low confinement mode）等离子体,无 ELM（Edge localized mode）的 H 模（H-mode,high confinement mode）等离子体。对于欧姆密度爬升等离子体,发现电子温度涨落的幅度在电子密度爬升过程中有显著变化。对比了电子温度涨落与能量约束时间之间的关系,发现能量约束的退化与电子温度涨落的增加有明显关联。研究了电子温度涨落与电子温度和密度梯度的关系,发现存在电子温度涨落处于较高水平的窗口现象。分析这三者的关系发现这一湍流的激发与电子温度梯度和电子密度梯度都相关,其稳定性边界可近似表述为Ro/LTe=4.5 Ro/Lne-1.1,其中Ro/LTe=Ro（|VTe|/Te）为归一化电子温度梯度,Ro/Lne=Ro（|▽ne|/ne）为归一化电子密度梯度。由多普勒背向散射计（Doppler backscattering system,DBS）测得的小于40 kHz的电子密度涨落与电子温度涨落的演化是一致的。线性模拟分析表明,CECE诊断观测到的是ITG湍流。对流剪切和杂质等物理量的分析表明,欧姆密度爬升等离子体中观察到的电子温度涨落的变化可能是流剪切、杂质和诊断能力的协同效应。此外,还初步分析了其它等离子体参数下的电子温度涨落的特征。不同辅助加热的L模等离子体中,电子温度涨落表现出不同的行为,结果表明决定电子温度涨落特征的主要物理量是电子温度梯度。在无ELM的H模等离子体中,在ρ=0.71-0.87范围内观测到了准相干模。

关键词： EAST 电子热输运电子温度涨落电子密度涨落 CECE诊断

基于相关电子回旋辐射系统的电子温度涨落实验研究

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基于相关电子回旋辐射系统的电子温度涨落实验研究

作者：周豪华中科技大学

学位级别：硕士

近些年来,在受控核聚变领域,反常输运作为一种影响等离子体约束性能的现象受到了广泛的关注,研究表明反常输运与等离子体的磁涨落、温度涨落、密度涨落等各种涨落有关。为了研究反常输运,世界上的主流聚变装置都发展了相关电子回旋辐射... 详细信息

近些年来,在受控核聚变领域,反常输运作为一种影响等离子体约束性能的现象受到了广泛的关注,研究表明反常输运与等离子体的磁涨落、温度涨落、密度涨落等各种涨落有关。为了研究反常输运,世界上的主流聚变装置都发展了相关电子回旋辐射系统(CECE)来对电子温度涨落进行测量。早在2014年,J-TEXT上就发展了一套拥有四个测量通道的CECE系统来观测电子温度涨落,为了更多物理现象观测的需要,时至今日,J-TEXT上的CECE已升级为一套拥有十四个测量通道的系统。本文首先介绍了CECE系统的改造与升级。一方面,对原有系统进行了一系列改造,包括本底噪声改善、硬件连接改善和线路优化。改造后,系统的本底噪声下降到30mV左右的水平,系统的故障概率大大降低。另一方面,对系统进行了一些升级,包括通道增加、系统灵活性改善、系统稳定性增强。升级后,系统拥有14个测量通道;通过YIG(Yttrium Iron Garnet)滤波器控制器和数字可调视频放大器的设计,系统的灵活性大大提高;通过电子学器件温度闭环控制系统的设计,保障了一些对温度比较敏感的器件。接着,从时域和频域两方面结合具体的实例对数据处理方法进行了介绍。其中,时域分析方法主要为相关分析法。一方面,CECE通过互相关分析可以得到电子温度涨落,另一方面,可以得到温度涨落的径向相关长度。频域分析方法主要为频谱、功率谱等谱分析方法。频谱分析可以得到信号中的频率信息;功率谱分析可以对电子温度涨落的谱分布有所了解。最后,围绕原有的CECE(八道)系统从两个方面进行了实验探究。一方面,着重探究了电子温度涨落与等离子体内宏观参量之间的关系。实验发现,靠近等离子体边缘的电子温度涨落要高于靠近芯部的,进一步分析表明,密度梯度对电子温度涨落的分布有较大的影响。另一方面,探究了电子温度涨落与磁岛之间的相互作用。当等离子体中存在转动的磁岛时,磁岛对电子温度涨落有调制作用,且磁岛转动的频率发生改变时,磁岛对电子温度涨落的调制频率也在跟随着改变。同时发现,探测位置位于X点的电子温度涨落要高于探测位置位于O点的电子温度涨落。通过对温度剖面进行分析,发现磁岛对温度剖面的影响使得温度梯度发生变化,表现出温度梯度大的地方电子温度涨落也大的趋势。

关键词：反常输运相关电子回旋辐射电子温度涨落密度梯度磁岛温度梯度

J-TEXT相关电子回旋辐射测量系统的研制

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核聚变与等离子体物理 2018年第3期38卷 309-314页

作者：周豪杨州军张弛阮博文潘晓明华中科技大学电气与电子工程学院武汉430070

为了更好地研究反常输运,J-TEXT发展了一套相关电子回旋辐射(CECE)系统来测量电子温度涨落。该系统采用频率去相关的结构,通过八道窄带滤波器进行频率选择,其中两道采用带宽为100MHz的定频滤波器,其余六道采用带宽为100~240MHz的钇铁石... 详细信息

为了更好地研究反常输运,J-TEXT发展了一套相关电子回旋辐射(CECE)系统来测量电子温度涨落。该系统采用频率去相关的结构,通过八道窄带滤波器进行频率选择,其中两道采用带宽为100MHz的定频滤波器,其余六道采用带宽为100~240MHz的钇铁石榴石(YIG)滤波器,YIG滤波器的中心频率为数字可调,增加了系统的灵活性。通过光路的优化,系统的极向分辨率最高可达2.5cm-1。实验结果表明系统性能良好,通过互相关技术可以消除热噪声的影响得到电子温度涨落,并且观测到靠近等离子体芯部的电子温度涨落要小于靠近边缘的电子温度涨落。

关键词：相关电子回旋辐射电子温度涨落 YIG滤波器

J-TEXT托卡马克等离子体中非局域效应期间温度涨落的统计分析

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能源研究与管理 2022年第4期14卷 129-136页

作者：向林赵开君谢耀禹杨州军陈志鹏陈忠勇高丽丁永华张锦钰杨宇王能超梁云峰东华理工大学核科学与工程学院南昌330013 华中科技大学电气与电子工程学院磁约束聚变与等离子体国际合作联合实验室武汉430074

非局域热输运现象(NLT)是聚变界未解之谜。迄今为止,并没有恰当的理论模型解释NLT现象,但人们普遍认为NLT现象与湍流有关。采用延迟相关性分析方法及湍流强度长程相关性分析方法,分析了NLT期间由ECE测量的电子温度涨落的特征。结果发现... 详细信息

非局域热输运现象(NLT)是聚变界未解之谜。迄今为止,并没有恰当的理论模型解释NLT现象,但人们普遍认为NLT现象与湍流有关。采用延迟相关性分析方法及湍流强度长程相关性分析方法,分析了NLT期间由ECE测量的电子温度涨落的特征。结果发现在欧姆放电和ECRH加热等离子体中出现的NLT期间,电子温度涨落强度均具有长程相关性,且电子温度涨落的相对强度在r/a电子温度涨落的峰度和偏度在欧姆和ECRH等离子体中SMBI前后的变化。发现在欧姆等离子体中SMBI注入后芯部电子温度涨落更远离高斯分布,而在ECRH等离子体中其更接近高斯分布。在欧姆放电和ECRH加热等离子体中,SMBI注入前后,峰度和偏度的显著不同表明NLT的出现与温度涨落的峰度和偏度无关。

关键词：托卡马克磁约束等离子体非局域热输运现象电子温度涨落