EAST装置交叉极化散射诊断系统研制及高约束模中准相干模式的研究

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未来托卡马克放电将以高参数高比压运行为主,而随着等离子体比压增大,电磁湍流增强,其对约束输运的影响将会进一步增大,甚至可能超过静电湍流。因此,发展测量电磁涨落的诊断系统,对于未来磁约束聚变研究具有重要意义。交叉极化散射诊断系统通过接收来自于等离子体的垂直于入射极化方向的散射信号测量等离子体中的磁涨落,是研究等离子体中电磁不稳定性的重要手段。本论文的主要工作是完成了 EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)上的交叉极化散射诊断的研制,并通过多普勒微波反射计和交叉极化散射计对EAST高约束放电中的准相干模进行系统性的研究。本文完成了 V波段扫频交叉极化散射计(Cross-Polarization Scattering,CPS)和多普勒微波反射计(Doppler Reflectometry,DR)集成系统的研制,以及在EAST上的安装和测试,实现了密度涨落和磁涨落的同时测量,并利用射线追踪分析了测量磁涨落的位置和波数。CPS和DR诊断系统共用发射端,CPS的接收端和DR的接收端为环向分离。在现有的放电参数下,密度涨落远大于磁涨落,因此微小的密度涨落信号泄露都有可能掩盖磁涨落信号,从而无法获得有效的磁涨落信息,这也是CPS诊断系统研制的难点。在EAST放电实验中,我们对X模(非寻常模)极化入射和0模(寻常模)极化入射两种不同的入射方案均进行了测试。结果显示CPS测量的数据明显区别于DR测量的密度涨落,这表明CPS测量的信号并非来自于密度涨落信号的泄露,而是真实的磁涨落信号,验证了 CPS诊断在EAST装置上的可行性。在V波段单道CPS系统的基础上,针对EAST放电参数(磁场和密度)的提高,本文还完成了 E波段多道CPS和DR集成系统的研制。该集成系统能够覆盖整个台基区以及部分芯部区域,同时测量6个不同径向位置处的涨落信号,且能够根据实验需求灵活地改变测量位置。该系统基于梳状谱发生器和倍频器,发射覆盖E波段(60 GHz-90 GHz)且频率间隔为1 GHz的微波信号进入等离子体,通过调节参考信号的频率来选择需要的探测频率,实现测量位置的可调。本文包括光学系统设计、电子学系统设计、台面测试及射线追踪计算。光学系统的研制中,主要对前端反射镜的位置及焦距、皱褶圆波导位置、耦合透镜焦距等光学参数进行了设计,该光学前端系统已于2021年投入使用,达到设计预期。在电子学系统的台面测试中,对多道输出信号以及参考信号扫频对探测信号的选择功能进行了测试,验证了该电子学系统方案的可行性。目前,E波段多道系统的多普勒微波反射计分支已经先投入使用,获得了大量的实验数据,是EAST实验中湍流测量的常规诊断工具之一。本文通过多普勒微波反射计和交叉极化散射计诊断研究了 EAST装置H模放电下普遍存在的准相干模QCM(3 kHz-100 kHz):该模式能够广泛存在于ELM-free H-mode和Inter-ELM期间,其沿电子逆磁方向旋转,极向波数ke~0.6cm-1,是一支静电效应占主导的模式。该模式随着等离子体一起旋转,模频率与多普勒微波反射仪测量的极向旋转速度成正比;其径向分布特性表明,该模式激发于台基顶附近,同时向内向外传播,最远可以传播到芯部ρ~0.75的位置。该模式广泛存在于高约束模放电中,与纵场、密度、辅助加热方式、q95大小等放电条件无关。BOUT++六场双流体模型理论模拟表明,此QCM属于漂移阿尔芬波不稳定性,沿电子逆磁方向旋转,极向波数ke~0.5828cm-1,存在向内传播的趋势,与实验结果吻合地很好;结合此前BOUT++对准相干模的模拟分析,认为QCM与粒子输运有关。对于该QCM的研究有助于进一步理解托卡马克中的输运过程,为实现对于长脉冲稳态运行提供支持和帮助。在研究中,我们发现H模放电下还存在一支高频准相干模,其频率为200 kHz-300 kHz,可能受台基区电子温度梯度影响,同时还发现共振磁扰动能够对该模式产生抑制作用。
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