【摘 要】
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在未来的托卡马克等离子体中,快粒子会激发环向阿尔芬本征模（Toroidal Alfvén Eigenmode,TAE）、比压阿尔芬本征模（Beta-induced Alfvén Eigenmode,BAE）等各种磁流体不稳定性。反之,这些不稳定性又会引起快粒子的再分布与大规模损失,不利于实现聚变堆自持加热,因此研究他们的激发与调制具有重要意义。本文在J-TEXT上利用电子回旋共振加热（Electr
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在未来的托卡马克等离子体中,快粒子会激发环向阿尔芬本征模（Toroidal Alfvén Eigenmode,TAE）、比压阿尔芬本征模（Beta-induced Alfvén Eigenmode,BAE）等各种磁流体不稳定性。反之,这些不稳定性又会引起快粒子的再分布与大规模损失,不利于实现聚变堆自持加热,因此研究他们的激发与调制具有重要意义。本文在J-TEXT上利用电子回旋共振加热（Electron Cyclotron Resonance Heating,ECRH）和扰动场研究了BAE的特征与激发机制,并进一步利用ECRH、超声分子束和偏压电极等手段开展了BAE的调制研究。本文在J-TEXT上研究了BAE的特征与激发机制。通过ECRH成功激发了m/n=7/2和5/1（m为极向模数,n为环向模数）的快电子BAE（fast electron driven BAE,e-BAE）,其频率范围为22-35k Hz,符合与阿尔芬速度成正比的阿尔芬本征模色散关系;对比发现e-BAE频率与捕获超热电子的进动频率相近,验证了捕获超热电子通过波粒共振激发eBAE的机制。本文还利用m/n=3/1扰动场产生的磁岛激发了3/1磁岛BAE（magnetic island driven BAE,m-BAE）,验证了其频率与阿尔芬速度成正比的色散关系;通过双谱分析揭示了磁岛与测地声模、m-BAE之间存在非线性耦合;同时发现在静态磁岛宽度增加的过程中,静电的测地声模幅值逐渐减弱,m-BAE幅值逐渐增强;意示了磁岛增长阶段,能量可能在测地声模与m-BAE中重新分配,当磁岛宽度达到阈值时,便可通过与BAE、测地声模之间的三波耦合激发m-BAE。基于以上对BAE激发机制的理解,本文进一步通过ECRH、超声分子束和偏压电极等手段进行了m-BAE的调制研究。发现随着ECRH功率增加,静态磁岛激发的BAE（static magnetic island driven BAE,sm-BAE）幅值下降,ECRH功率超过一定的阈值会完全抑制sm-BAE;但是,转动磁岛激发的BAE（rotating magnetic island driven BAE,rm-BAE）幅值却会随着ECRH功率增加而上升。这种看似相悖的实验结果可以用ECRH与磁岛之间的作用关系来解释:实验观测到ECRH功率增加会导致静态磁岛宽度降低,进而抑制sm-BAE;但是ECRH又会解稳转动磁岛,进而增强rm-BAE。利用超声分子束实现了对sm-BAE幅值与驻波节点的调制,并验证了sm-BAE驻波节点与静态磁岛相位锁定的关系。还利用偏压电极调节等离子体宏观参数,进而调制了sm-BAE的幅值与频率。综上,本文研究了e-BAE和m-BAE的特性,验证了捕获超热电子进动共振激发eBAE的机制,说明了磁岛与GAM耦合激发m-BAE的机制。在此基础上利用ECRH、超声分子束和偏压电极等手段实现了对m-BAE的调制。还为J-TEXT设计并建设了一套全新的阿尔芬天线系统并进行了测试,为后续研究奠定了工程基础。本文的实验与工程结果可为未来托卡马克聚变堆上BAE的激发与控制提供有价值的参考。
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