【摘 要】
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托卡马克中,由各种不稳定性驱动的湍流对于高温等离子体的约束时间有重要的影响。目前关于等离子体湍流还有很多问题未解。湍流表现在等离子体上就是会出现各种涨落,测量湍流的方法主要有微波诊断、探针以及光学谱线辐射诊断。喷气成像诊断（GPI,gas puffing imaging）是一种光学谱线辐射诊断,其通过主动向等离子体中喷入中性气体获得中性原子的线辐射强度时间演化和空间分布。而根据碰撞-辐射模型,线辐
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托卡马克中,由各种不稳定性驱动的湍流对于高温等离子体的约束时间有重要的影响。目前关于等离子体湍流还有很多问题未解。湍流表现在等离子体上就是会出现各种涨落,测量湍流的方法主要有微波诊断、探针以及光学谱线辐射诊断。喷气成像诊断（GPI,gas puffing imaging）是一种光学谱线辐射诊断,其通过主动向等离子体中喷入中性气体获得中性原子的线辐射强度时间演化和空间分布。而根据碰撞-辐射模型,线辐射强度与电子密度和电子温度有关,因此获得了辐射强度的信息即可以获得背后的电子密度与电子温度的涨落信息,实现了湍流的可视化。本文主要以J-TEXT装置为平台,研制了一套GPI诊断。本文完成了GPI诊断的总体设计以及窗口选择。基于相关物理研究的需要,选定了观测范围为径向上123.5至133.5cm,中平面上下5cm。选定了反射成像的方案。基于J-TEXT装置诊断窗口的情况以及内部RMP线圈的影响,确定PORT5水平窗口作为光学镜筒所在位置,观测区域位于PORT3和PORT4窗口之间。观测区域中心到反射镜中心的实际距离约为72cm。在总体设计完成后,开展了J-TEXT GPI诊断的硬件研制。GPI硬件主要包括光路系统和喷气系统。光学系统实现引导成像的功能。出于时空分辨率的考虑,选择了高速相机作为探测器。确定了商业镜头成像的方案,基于成像位置以及光圈选定了商业镜头。设计了由反射镜、观察窗、可移动式挡板组成的光学镜筒,根据安装空间限制,以及小孔成像理论确定了反射镜的大小,根据光线传递路径确定了安装位置与角度。气路部分主要是实现喷入气体的功能。为了实现减小进气,喷气均匀局域的目标,特殊设计了淋浴状喷嘴。在高压气瓶以及喷嘴之间设计搭建了外围气路部分,这是实现按时按量喷气控制的硬件基础。完成硬件研制后,根据GPI诊断的控制需求,开发了J-TEXT GPI诊断远程控制程序及界面,实现了对气罐压力监测、电磁阀的开通关断、压电阀的开启时间和开启程度、相机的触发功能。在研制完成的GPI诊断开展了平台测试。通过进气量测试,获得了喷气速率、气罐气压维持时间等关键性能参数。触发延迟测试表明诊断延迟小于0.1ms,能够满足诊断需求。基于真空度测试,验证了气路系统良好的密封性能。对于成像位置的标定为后续的物理分析提供了具体位置信息。最后,本文对GPI诊断的初步实验结果进行了分析。基于光强涨落图像观测到了湍流结构的存在,并通过概率分布函数曲线和自功率谱分析,确定了这些结构的真实性且具在不同径向位置有不同的湍流水平。利用互相关延迟法得到了湍流极向相速度的径向分布。以上结果与其他装置结果一致,这表明J-TEXT GPI诊断能够获得相关物理图像,基本达到了预期设计目标。
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