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在托卡马克等离子体物理实验中,逃逸电子的存在是不可避免的;而放电过程中逃逸电子对装置造成的损害又是不可忽视的。因此,托卡马克等离子体中逃逸电子行为的实验研究成为和ITER安全运行相关的热门研究领域之一。本论文依托HT-7和EAST托卡马克实验装置,研究了托卡马克等离子体中逃逸电子行为。
根据逃逸电子物理实验的需要,在HT-7托卡马克上完善了逃逸电子能谱诊断系统(即:高能硬X射线诊断系统);在EAST托卡马克上发展了能量测量范围在0.3-15MeV的切向逃逸电子能谱诊断系统,发展了能量测量范围在0.3-5MeV的逃逸电子水平阵列诊断系统,发展了测量逃逸电子同步辐射的红外探测器诊断系统,可以测量等离子体芯部能量大于25MeV逃逸电子的同步辐射。借助于上述诊断系统以及其他的相关诊断系统,在HT-7和EAST托卡马克上开展了一系列逃逸电子相关的物理实验研究。
研究了低杂波电流驱动条件下,低杂波功率,等离子体密度和等离子体电流对逃逸电子产额的影响,实验研究发现:低杂波电流驱动可以有效的抑制逃逸电子的产生,但是一定的放电条件(电流,密度)需要一定功率的低杂波才可以对逃逸电子起到抑制的作用。开展了低杂波电流驱动条件下的逃逸电子携带电流,减小电流下降率,缓解破裂的实验研究,研究结果发现:在低杂波电流驱动条件下,如果破裂阶段等离子体的MHD行为相对比较弱,破裂以后,在低杂波的辅助下可以形成逃逸电子携带的逃逸电流,可以有效的减缓破裂以后等离子体电流的下降率。
系统研究了不同等离子体放电阶段以及不同加热手段对逃逸电子产生过程的影响。研究了不同等离子体电流爬升率对逃逸电子产生的影响,发现:较大的电流爬升率由于较高的环电压,可以产生更多的逃逸电子。研究了等离子体破裂以后逃逸电子在空间的衰减。分析了杂质充气缓解破裂条件下逃逸电子的行为,研究结果表明:破裂以后逃逸电子在径向的衰减速率是26m/s,在等离子体电流的平顶段充入大量的杂质气体可以减小破裂情况下等离子体电流的下降率,在一定程度上抑制破裂导致的逃逸电子的产生,从而减小破裂对装置造成的损害。
研究了slide-away放电条件下逃逸电子的反常多普勒共振不稳定性,分别在欧姆放电和低杂波电流驱动条件下研究了逃逸电子反常多普勒共振周期对环电压的依赖关系。结果发现:欧姆放电条件下,反常多普勒共振的周期由于环电压的变化,在1ms-2ms的范围内改变;而在低杂波电流驱动的实验中,由于比较恒定而且较低的环电压,反常多普勒共振的周期一般也保持相对稳定,周期大约是2ms。为了深入研究逃逸电子的动力学行为,在HT-7上,研究了slide-away放电平顶段充气对逃逸电子能谱的影响,可以发现:slide-away放电中的充气可以引起高能逃逸电子辐射的增加。在EAST上,利用新发展的红外探测器诊断系统研究了逃逸电子的快pitch角散射过程,结果表明很可能是由于Parail andPogutse不稳定性引起的。