J-TEXT托卡馬克鋸齒行為中擾動(dòng)量的探測與研究.pdf

1、鋸齒是一種發(fā)生在等離子體芯部的宏觀磁流體不穩(wěn)定性，與q=1面以內(nèi)的磁擾動(dòng)(電流擾動(dòng))相關(guān)。它會(huì)造成等離子體芯部參數(shù)的降低，破壞等離子體的約束性能，但同時(shí)又具備排除芯部雜質(zhì)的功能。為了將來能順利實(shí)現(xiàn)對(duì)鋸齒的精確控制以改善芯部等離子體約束，同時(shí)排除聚變反應(yīng)中生成的α粒子，需要對(duì)鋸齒行為過程中的粒子輸運(yùn)和磁擾動(dòng)都展開進(jìn)一步的探測和研究。三波偏振干涉儀能夠同時(shí)測量電子密度和芯部磁場，而且具有很高的時(shí)間分辨率，如果能實(shí)現(xiàn)對(duì)鋸齒的觀測，無疑是用來開

2、展這些研究的最佳探測手段。本人參與了J-TEXT偏振干涉儀的全部搭建工作，并通過對(duì)它測量精度的優(yōu)化成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋸齒行為的測量。
　　本研究根據(jù)在HCN干涉儀上進(jìn)行振動(dòng)消除預(yù)實(shí)驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)，在J-TEXT偏振干涉儀設(shè)計(jì)和搭建時(shí)基于慣性抗振和介質(zhì)減振原理，合理配置大質(zhì)量基座以及橡膠隔振墊，并結(jié)合機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)振動(dòng)的有效衰減。之后又從診斷原理出發(fā)，對(duì)參考道進(jìn)行了與探測道相同的布局，使殘余振動(dòng)的影響在對(duì)它們求相位差時(shí)得到抵消

3、。最終，振動(dòng)的影響被減至噪聲水平，在電子線密度信號(hào)上為~1°(1.4×1016m-2)，在法拉第旋轉(zhuǎn)角信號(hào)上為~0.1°。共線是測量到準(zhǔn)確法拉第旋轉(zhuǎn)角的基本條件，也是實(shí)現(xiàn)三波偏振干涉儀的最大難點(diǎn)之一。由于等離子體密度的附加相位比法拉第旋轉(zhuǎn)角大約2個(gè)數(shù)量級(jí)，當(dāng)兩束測量光不共線時(shí)，會(huì)因?yàn)槊芏忍荻鹊拇嬖诙o法拉第旋轉(zhuǎn)角帶來測量誤差。J-TEXT偏振干涉儀的共線調(diào)節(jié)通過使用激光光束分析儀完成，并在調(diào)節(jié)完成之后通過在光路中添加一個(gè)偏振片，將合束后

4、的兩束圓偏振光調(diào)制成相同的線偏振光穿過等離子體，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)共線誤差的直接測量和優(yōu)化。通過以上優(yōu)化，J-TEX偏振干涉儀成功在電子線密度和法拉第旋轉(zhuǎn)角信號(hào)上都準(zhǔn)確地測量到了鋸齒擾動(dòng)。由于偏振干涉儀測量到的是弦積分量，為得到電子密度、電流密度和安全因子的分布還需要對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行反演。J-TEXT偏振干涉儀上發(fā)展了一套平衡反演程序，并在反演程序中對(duì)測量受折射效應(yīng)的影響做了修正，使得J-TEXT偏振干涉儀對(duì)電流密度的測量誤差在-0.6≤ρ≤0

5、.6以內(nèi)都小于10％。這個(gè)結(jié)果同國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)對(duì)它計(jì)劃發(fā)展的偏振干涉儀測量電流密度的精度要求是一致的。利用偏振干涉儀測量的密度鋸齒和反演程序給出密度分布對(duì)鋸齒過程中的粒子輸運(yùn)進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，鋸齒崩塌時(shí)等離子體芯部的粒子輸運(yùn)系數(shù)會(huì)爆發(fā)性地增加，靠近外側(cè)的粒子輸運(yùn)系數(shù)也會(huì)有相應(yīng)的增強(qiáng)，由此才導(dǎo)致了芯部粒子密度分布變得平坦而靠近邊緣的密度變化不明顯；此外，鋸齒崩塌時(shí)將芯部粒子的向外輸運(yùn)只能到達(dá)q=2面，這也為將來通過