J-TEXT托卡马克等离子体边界磁扰动的测量与分析

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在托卡马克等离子体中,磁场的扰动会对等离子体的宏观行为产生很大的影响,其中以下两种影响特别重要:第一种是磁扰动可以通过驱动电流产生大尺度的磁场,该磁场会破坏原有的磁场拓扑,进而使得等离子体约束变坏,严重时甚至会引起等离子体电流破裂;第二种是磁涨落可能使得磁力线随机扰乱,导致能量和粒子沿着随机磁力线产生输运行为。如在托卡马克中发现实际观测到等离子体的输运通量远大于(新)经典理论所预期的值,即反常输运的存在,实验研究表明,静电涨落和磁涨落都可能引起这种反常输运,反常输运也是实现磁约束聚变需要解决的问题之一。  本文以J-TEXT托卡马克装置为实验平台,对等离子体边界(r/a>0.9)的磁场行为进行了相关的实验研究。作为实验的基础,我们建立了三套与实验相关的系统,分别为高频磁探针标定系统、磁探针矩形阵列和快速往复式磁探针系统。其中高频磁探针标定系统主要是把磁探针放入亥姆赫兹线圈内感应其产生的高频磁场,并用示波器同时测量亥姆赫兹线圈和磁探针两端的电压。基于整套系统,我们建立了两个分析电路模型,并获得亥姆赫兹线圈和磁探针两端的电压之间的传递函数,利用该传递函数对实验数据进行拟合后,通过求解方程获得探针的有效面积和电学参数(包括探针的电阻、电容和电感),该结果可用于分析高频信号在磁探针、传输线和采集系统中的传输过程;磁探针矩形阵列是由安装在真空室内不同极向位置的26个二维磁探针组成,每个探针可以同时测量R和Z方向的磁场。该套系统的测量结果不仅可以作为EFIT程序的输入量对等离子体进行平衡重建,还可以用于测量等离子体电流大小和位移;快速往复式磁探针系统主要包括磁探针阵列、机械气动装置和数据采集三个部分。磁探针阵列由4个不同径向位置的二维磁探针组成,每个探针可同时测量局域的极向和径向磁场,这些探针被安装在可沿着径向方向运动的气动装置的顶部,该气动装置可以以1m/s的速度扫过5cm的径向范围。数据采集系统的采样率最高可达2MHz。  在实验中,我们利用快速往复式磁探针系统对J-TEXT等离子体边界(r/a>0.9)的磁扰动行为进行了测量与分析,具体包括以下几个方面:1.等离子体边界磁场拓扑的测量。该实验主要利用快速往复式磁探针测量了等离子边界磁扰动信息并得到q=3面的位置,该结果与基于偏振仪平衡重建得到的q分布进行了对比,对比结果表明往复式磁探针可准确测量等离子体边界的磁场拓扑,同时该实验结果还验证了模拟计算得到的磁岛内外的磁场拓扑结果;2.等离子体边界磁涨落引起的输运行为的实验研究。该实验主要将往复式磁探针与静电探针诊断结合,测量了等离子体边界扰动电子密度~ne、极向扰动电场E~?、环向扰动电流~j?和径向扰动磁场b~r的径向分布,并根据测量结果分别计算了由磁涨落和静电涨落引起的粒子通量,该结果表明在J-TEXT托卡马克的边界涨落引起粒子输运中静电涨落占主导作用;3.往复式磁探针外加扰动电流与等离子体相互作用的实验研究。该实验主要将往复式磁探针作为一种调制手段,通过在磁探针上外加扰动电流产生局域扰动磁场,并研究该局域扰动磁场与等离子体的相互作用。作为探索性实验,目前获得了初步的实验结果。在实验中,我们观测到在有m/n=2/1撕裂模存在时,该局域扰动磁场可以影响撕裂模的频率;在没有撕裂模时,该局域扰动磁场可以激发出m/n=3/1的撕裂模。
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