L-H模转换机理是磁约束聚变界35年没有完全解决的难题,理解其机理将有助于实现和稳态维持H模。ITER是按照H模的约束性能来设计的,ITER建成初期的加热功率将刚刚达到按照经验定标率外推的阈值,能否顺利进入H模运行,仍然存在不确定性!较低的L-H模转换阈值功率将会大大缩减ITER以及未来聚变堆的工程造价,接近阈值功率条件下的L-H模转换是聚变界关注的焦点问题之一。本论文依托EAST托卡马克,主要利用高时空分辨的快速往复式探针诊断系统,针对L-H模转换动力学及其阈值功率进行系统的实验研究。EAST是第一个建成的具有和ITER类似先进磁场位形的全超导托卡马克,采用射频波加热为主以及ITER-like钨铜偏滤器,研究EAST上的L-H模转换的阈值功率对ITER具有重要指导意义。我们在EAST上开展了 L-H模转换动力学及其阈值功率的系统的实验研究,发现:(1)在中、高密度区(ne>2.0 ×1019),单独低杂波、单独离子回旋波加热或单独中性束加热下L-H模转换功率阈值都接近国际托卡马克定标率。表明国际托卡马克L-H模转换功率阈值定标率适用于EAST,支持这一定标率的可靠性。在低密度区(ne<2.0 × 1019),以及采用的低杂波和离子回旋波加热方式,首次观察到L-H模转换功率阈值对密度的U形依赖关系。这种现象与加热方式是否有关,需要在未来实验中验证。ITER主要以射频波加热为主的,在低密度下进入H模的难度可能进一步加大。(2)EAST采用了化学性质很活泼的锂来涂覆面对等离子体的器壁,在此之前很难取得H模。在较低的锂涂层注入量(<500 g),使得进入等离子体的碳、氧等轻杂质含量减少,降低有效Z;在较多的锂涂层注入量后,使得器壁上的中性粒子的返流得到了显著的抑制,等离子体边界的中性粒子密度降低了接近一倍,从而显著降低了中性粒子对剪切流的阻尼。最终使得L-H模转换得阈值功率降低了接近一倍,低于国际定标率。ITER将采用铍作为第一壁材料,铍的特性和锂类似,EAST的实验结果为ITER在低加热功率下实现H模运行提供了重要的依据,具有重要意义。(3)研究了偏滤器位型和离子梯度漂移方向对L-H模转换行为及其阈值功率的影响。EAST在锂涂层壁处理下的全碳壁和钼/碳壁,都表现出在双零位型(DN)下功率阚值最低。对于单零位型(SN),当离子梯度漂移背离主X点时其功率阈值低于漂移指向主X点。通过静电探针观测到,低场侧刮削层平行流与Pfirsh-Schluter流的幅值及其时间演化具有相关性,并且依赖于纵场方向。对于W型偏滤器结构,当外中平面到偏滤器靶板的连接长度较短,即刮削层粒子输运沉积在外靶板时,粒子可以有效地被排出、屏蔽,进而有利于L-H模转换。在国际上率先提出了参与驱动刮削层等离子体平行流的Pfirsh Schuter流在决定L-H模转换的阈值功率上起到了关键性的作用,从而打破了刮削层参与L-H转换的物理机制的缺口。然而,当上偏滤器更换为ITER-like的钨铜偏滤器,上单零位型(USN)等离子体在离子梯度漂移指向主X点时其阈值功率较低。上下不对称的偏滤器结构使得低场侧刮削层流指向上偏滤器,对于不同的离子梯度漂移方向只是刮削层流的幅度不同,这和低场侧Pfirsh-Schluter流的指向具有相关性。此外,相比标准的偏滤器位形,EAST准雪花位形下的L-H模转换功率阈值高很多。EAST准雪花位形其等离子体控制的打击点偏离偏滤器靶板区域,不利于粒子的排出和屏蔽。实验观测到,边界中性粒子密度在准雪花位形下较高。L-H模转换行为和位型、偏滤器抽气效率及离子梯度漂移方向有一定的依赖关系,带有中间态的所谓’dithering L-H’模转换更加容易出现在双零位型且抽气效率低的情况,而且dithering的形态在不同位型下也表现出不同的行为特征。单步的转换’single-step L-H’经常出现在离子梯度漂移方向背离主X点的位型下。在DⅢ-D和AlcatorC-Mod的实验结果证明了在离子梯度漂移指向主X点的位形下L-H模转换的阈值功率更低。不同的是,JET发现离子梯度漂移背离有效偏滤器时L-H模转换的阈值功率相差不大或者较小。在ASDEX-U、MAST和NSTX也发现最小的阈值功率出现在DN位形。这意味着我们在研究L-H模转换时还忽略了其它重要因素,如中性粒子再循环和偏滤器几何位形等。EAST装置与众不同的表现,对L-H模转换的研究有着重要意义。(4)在加热功率接近L-H模转换功率阈值的条件下,研究了 L-H模转换的中间振荡状态(limit cycle oscillations,LCOs),发现了等离子体湍流驱动的剪切流、压力梯度主导的平衡流和湍流在L-H模转换过程中共同起作用,决定了 L-H模转换前的振荡态以及L-I-H、L-I-L模转换。(5)在一些实验中发现雷诺协强太小而不足以驱动流剪切,L-H模转换过程中并未观察到湍流驱动的剪切流。我们实验首次发现,E×B流剪切导致湍流径向谱移把湍流能量散射到强粘滞阻尼的高径向波数空间而被耗散,湍流幅度的减小导致压力梯度的增长进一步增强E × B流剪切的谱移,这样的正反馈使得湍流能够被快速抑制,为触发L-H模转换提供了一种新的思路。(6)分析了 EAST托卡马克L-H和H-L模转换前出现的振荡态,它们都表现出(m = 1,n = 0)的磁扰动结构。