边界离子轨道损失与L-H模转换关系的研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wzgl2005
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实验表明等离子体边界区域一定强度负径向电场的产生对H-模的形成起着至关重要的作用,因此负径向电场的形成机制成为理解L-H模转换机制的核心问题。虽然经过近三十年的理论和实验研究,但是H-模的形成机制仍然不是十分清楚,对H-模的产生条件也没能给出比较统一的解释。L-H模转换时间为毫秒量级、宽度为厘米量级,边界负径向电场强度为104-105V/m量级,目前仍然没有足够高分辨率的诊断手段来精确测量L-H模转换的时空尺度和电荷差异,所以只能从理论上来研究其形成机制。  本文根据张晓东研究员提出的梯度漂移和曲率漂移为边界粒子电荷分离形成负径向电场的驱动力,从单粒子轨道模型出发,模拟计算了离子和电子的漂移位移,由于离子与电子漂移位移的较大差异,导致了TOKAMAK边界一定区域内电荷分离产生了负径向电场。在负径向电场作用下,离子的运动轨迹发生了比较大的变化,在一定条件下发生了香蕉粒子变为通行粒子或者通行粒子变为香蕉粒子的过程,相应的离子的漂移位移也发生了较大的变化。在这个理论基础上,引入离子能量E、磁矩μ和角向正则动量Pφ三个守恒量所决定的导心轨道方程,求解边界离子损失临界条件,计算了EAST边界区域离子在初始速度空间的轨道损失即离子轨道损失区域。  在负径向电场作用下离子轨道损失区域会逐渐发生变化,当电场值较小时,损失区域的变化会使一部分损失区域之外的离子改变了运动轨道而进入到损失区域,而较大的电场会压缩损失区域不再使离子进入到损失区域。根据损失区域的变化提出了离子轨道损失的反馈机制,如果一定条件下离子的轨道损失变得越来越多会产生正反馈效应,反之则是负反馈效应。同时也计算了正反馈过程所需要的时间为毫秒量级,模拟计算了在一定磁场位形下边界区域触发正反馈效应的临界离子温度和密度曲线和边界区域负径向电场的结构。模拟计算的结果发现离子轨道损失的正反馈机制与H-模实验过程中发现的物理现象相吻合,因此认为离子轨道损失的正反馈机制就是L-H模转换过程中的负径向电场形成机制。以此为基础分析了磁场位形、X点位置和同位素等因素对正反馈效应的影响。
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