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本论文对托卡马克等离子体中电子回旋辐射的辐射机理,接收和测量技术进行了调研和深入的研究,通过和美国德克萨斯大学聚变研究中心(FRC)合作,在HT-7托卡马克装置上建立了16道电子回旋辐射诊断系统,这是一套超外差接收系统,灵敏度高,系统结构紧凑。利用这套多道电子回旋辐射诊断系统在不同的实验条件下测量了HT-7等离子体中的电子回旋辐射强度,初步研究了等离子体电子温度分布和锯齿行为。
HT-7电子回旋辐射诊断系统分为三个部分:电子回旋辐射信号收集和传输,射频系统和中频系统及数据采集。电子回旋辐射信号收集系统是由TPX透镜和喇叭天线组成,这是由于TPX材料特性决定的,其在微波波段透过率较高。电子回旋辐射信号采用过模波导传输,以降低波传输过程中衰减。射频系统采用上边带下变频方式,获得2-18GHz中频信号。中频系统采用带通滤波器和肖特基二级管获得电压信号。在系统发展过程中,考虑到温度变化对系统的影响,采用了温度控制系统,确保射频系统和中频系统温度受控。加工了水平测量窗口,保证系统在赤道面水平接收电子回旋辐射。在实验中,发现了本振源对测量的影响,在射频部分增加了隔离器,解决了窜扰问题。开展了低通滤波器的制作,以满足系统采集的要求。在论文中,计算了上混杂频率和右手截止频率,在不同芯部温度和密度条件下的光性厚度,考虑了高密度截止及几何限制谐波混叠,对相对论展宽和多普勒展宽对径向分辨率的影响进行了讨论。
HT-7装置多道外差电子回旋辐射(ECE)诊断系统的空间径向分辨约2厘米,数据采样为4微秒。在HT-7托卡马克等离子体放电中,通过改变位移或托卡马克纵向磁场,开展了系统相对标定实验,并且与其他电子温度诊断数据进行了校准,取得了标定系数。在HT-7托卡马克装置开展了离子伯恩斯坦波(IBW频率27MHz,IBW波功率:100-600kW)加热实验,分析了电子温度和电子密度时空分布;观察并分析了不同加热功率下的等离子体能量约束与粒子约束特性;我们发现,在HT-7托卡马克,IBW加热效率与密度成正比,与功率成反比。在电子密度为2.2-5.5x1013cm。3时,IBW加热效率为1-8x1019eVm-9/kW。在IBW加热下的电子热扩散系数与欧姆放电的电子热扩散系数进行了比较。我们发现,在IBW加热时电子热扩散系数比欧姆放电时小了20%左右,表明等离子体的电子热输运在有IBW加热的情况下得到明显改善。利用HT-7电子回旋辐射诊断系统,开展了电子热脉冲传输研究,在高场侧(ECE信号)、低场侧(ECE信号)和垂直方向(软X射线)的热扩散系数分别为:Xe=2.46m2s-1,Xe=4.45m2s-1,和Xe=1.82m2s-1,观察到电子热输运系数的极向不对称性,并研究了低密度放电中电子回旋辐射的行为。