托卡马克边缘等离子体丝状结构输运的研究

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丝状结构广泛存在于托卡马克边缘区和刮削层(SOL)区域(主要是坏曲率区),其密度和温度高于SOL本底参数,并且呈现出阵发性爆发的特点。在径向和极向上,这种结构一般具有比湍流更大的空间尺度(几个毫米到几个厘米),并且沿磁力线延展,其环向相关长度甚至可达到几十米。并且,这种结构的存在时间一般可以达到数十个到几百个微秒。它在产生环向粒子输运的同时,也会产生径向输运。其径向输运距离数倍于自身径向尺度,甚至更远。因此,一般认为,丝状结构是托卡马克边缘和SOL区域对流输运的主要贡献者之而根据形成机制的不同,丝状结构可分为blob口ELM-filament两种。在HL-2A装置上,我们利用多种位形的静电探针测量丝状结构的传播特征,对blob和filament的特征尺度,存在时间,环向和径向速度进行了统计。并在传统的基于密度/离子饱和流提取丝状结构方法上,发展了两种新的提取丝状结构的方法:其中一种是基于悬浮电位提取丝状结构。利用这一方法并结合4×4探针阵列,我们成功测量到了blobELM-filament在10mm x12mm视窗下的二维传播过程,验证了丝状结构径向传播的E×B驱动机制;另一种方法则是基于丝状结构径向速度提取丝状结构。我们利用极向耙式探针成功对ELM-filament速度结构和电位结构进行二维反演,并观测至ELM-filament电位的双极分布和由此形成上下反向速度涡旋对。随后,我们研究了ELM-filament在超声分子束/弹丸注入前后统计特征的变化。尽管这两种注入方式在注入深度、注入粒子温度以及注入粒子数等方有着很大的差异,但在粒子注入后均观察到:1.具有大密度扰动振幅的ELM-filament的爆发频率降低:在选取阈值δne/σ=4条件下,超声分子束住入后ELM-filament爆发频率从~2.7kHz下降至~1.8kHz,而弹丸注入后其爆发频率从~4.1kHz下降至~2.2kHz,这表明ELM-filament的密度扰动振幅在两种情况下均被缓解;2.ELM-filament的径向平均速度也在超声分子束/弹丸注入后降低:在超声分子束注入情况下从~2.9km/s降低至~1.9kmn/s,在弹丸注入情况下从~3.8kmn/s降低至~2.6km/s。同时,通过条件平均方法计算得到的ELM-filament的悬浮电位特征波形显示其电位的双极结构减弱,暗示了ELM-filament径向速度的降低源于自身电荷极化的降低。而进一步的统计结果表明ELM-filament密度的降低和温度的降低都是导致这一变化的原因;3.由于ELM-filament的密度振幅,速度都被在超声分子束/弹丸注入后降低,其引发的瞬间的阵发性大幅度径向粒子通量和热通量也都出现大幅降低。两种情况下其降幅均超过50%;4.在超声分子束/弹丸注入后,ELM-filament靶板—中平面相关性大幅降低,与此同时,偏滤器本底温度降低,密度升高,离子-电子碰撞率迅速升高。这一现象可以用:“离子-电子碰撞率升高(?)等离子体平行电阻增强(?)ELM-filament平行电流降低(?)ELM-filament沿磁力线长程相关性降低”这一物理图像解释。最后我们尝试将混沌分析方法引入边缘局域模(ELM)控制的研究中,初步得到了对应ELM爆发的7个不稳定周期轨道(UPO),且这些UPO明显的分为2组,揭示了等离子体系统状态与UPO的对应关系,也为我们研究和控制ELM提供了一种新的途径。
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