EAST托卡馬克上的多普勒背向散儀.pdf

1、多普勒背向散射儀結(jié)合了傳統(tǒng)剖面微波反射儀的高時(shí)空分辨率和布拉格散射的波數(shù)分辨率的優(yōu)點(diǎn)，是有效的湍流測(cè)量工具而被廣泛用于磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)。本文主要就多普勒背向散射儀的搭建、數(shù)據(jù)處理、物理實(shí)驗(yàn)以及相關(guān)模擬展開討論。
　　本論文首先介紹了多普勒背向散射儀的測(cè)量原理，并總結(jié)了其他聚變裝置上的多普勒背向散射儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。論文中還發(fā)展了可用于EAST實(shí)驗(yàn)中用于計(jì)算截止層位置以及截止層處密度漲落波數(shù)的射線追蹤程序。射線追蹤程序采用剖

2、面微波反射儀測(cè)量的密度信息，再結(jié)合EAST的EFIT磁面信息，反演出EAST放電的密度剖面分布以及磁場(chǎng)分布，然后根據(jù)反演的密度剖面和磁場(chǎng)計(jì)算微波在等離子體中傳播。論文中發(fā)展了三維準(zhǔn)高斯射線追蹤程序，用以演化在傳播過程中微波信號(hào)與磁場(chǎng)角度的關(guān)系。另一方面，在實(shí)驗(yàn)中我們采用二維高斯射線追蹤程序來計(jì)算系統(tǒng)的徑向分辨率以及波數(shù)分辨率，并使用計(jì)算速度更快的單射線追蹤程序計(jì)算截止層位置和截止層處密度漲落的波數(shù)。射線追蹤采用WKB近似，所以在入射角度

3、較小時(shí)WKB近似不滿足，此時(shí)射線追蹤失效。為了計(jì)算多普勒頻移以及頻移幅度的大小，論文中還對(duì)比了三種不同的計(jì)算多普勒頻移的方法:權(quán)重平均法、直接高斯函數(shù)擬合法和雙高斯函數(shù)擬合功率譜非對(duì)稱部分的方法，分析三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并根據(jù)EAST具體實(shí)驗(yàn)發(fā)展出適用于EAST多普勒背向散射儀的數(shù)據(jù)處理方法。
　　論文中我們綜合考慮其他聚變裝置上多普勒背向散射儀的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)EAST托卡馬克的裝置參數(shù)以及實(shí)驗(yàn)需求給出了EAST托卡馬克上的多普勒背向

4、散射儀的設(shè)計(jì)方案，完成微波系統(tǒng)以及光學(xué)前端的搭建。EAST多普勒背向散射儀由兩道構(gòu)成:Q波段（33-50GHz）和V波段（50-75GHz），采用外差法測(cè)量，極化方式為非尋常模極化。我們選用相位噪聲低穩(wěn)定性高的頻率合成源作為微波信號(hào)源，信號(hào)源根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)的需求可以選擇步進(jìn)式掃頻或定頻測(cè)量。調(diào)制頻率為20MHz的單邊帶調(diào)制器被用來調(diào)制載波信號(hào)以獲得上邊帶頻率，從而實(shí)現(xiàn)外差測(cè)量。系統(tǒng)的光學(xué)前端由兩面反射鏡組成:一面平面反射鏡和一面可以旋轉(zhuǎn)的

5、橢圓面反射鏡，將微波信號(hào)聚焦到等離子體截止層附近。為了獲得好的波數(shù)分辨率，Q波段系統(tǒng)微波信號(hào)通過光學(xué)前端聚焦后，在截止層處的束腰半徑為3cm，而V波段為2.5cm。實(shí)驗(yàn)中的通過旋轉(zhuǎn)橢圓面反射鏡可以用來改變微波信號(hào)的入射角度，入射角度的范圍為土20°，可測(cè)量的波數(shù)范圍為4-22cm-1，徑向覆蓋范圍對(duì)于L?？梢愿采w整個(gè)等離子體小半徑范圍，對(duì)于高約束模運(yùn)行也可以覆蓋整個(gè)臺(tái)基區(qū)。系統(tǒng)的波數(shù)分辨率好于0.3，徑向分辨率好于0.2。在實(shí)驗(yàn)室中，我

6、們用一個(gè)表面有漲落結(jié)構(gòu)的可旋轉(zhuǎn)的圓輪來代替實(shí)驗(yàn)中等離子體密度漲落的運(yùn)動(dòng)，通過傾斜發(fā)射微波信號(hào)到轉(zhuǎn)輪的表面可以獲得散射回的多普勒頻移信號(hào)，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。
　　隨后在論文介紹了在EAST實(shí)驗(yàn)的情況，多普勒背向散射儀安裝在EAST托卡馬克的O窗口，其中Q波段系統(tǒng)在窗口的上部，而V波段系統(tǒng)在窗口的下部。在實(shí)驗(yàn)中我們完成了多普勒背向散射儀的頻率和波數(shù)掃描測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，入射角度越大多普勒頻移越大，但是多普勒頻移的幅度減小;改變?nèi)肷浞?/p>

7、向，多普勒頻移的方向也改變，從而驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性以及測(cè)量的正確性。實(shí)驗(yàn)中還測(cè)量了低雜波加熱對(duì)極向旋轉(zhuǎn)速度的影響，發(fā)現(xiàn)低雜波加熱會(huì)使變邊界極向旋轉(zhuǎn)速度變大，從而在邊界形成一個(gè)更負(fù)的徑向電場(chǎng)阱;另一方面我們還觀察到極向旋轉(zhuǎn)速度會(huì)被低雜波加熱調(diào)制，隨著低雜波加熱開始極向旋轉(zhuǎn)速度增大，低雜波加熱結(jié)束，極向旋轉(zhuǎn)速度減小。在論文中，我們分別給出了L模和H模的徑向電場(chǎng)分布，發(fā)現(xiàn)L模和H模放電都會(huì)在邊界形成一個(gè)負(fù)的徑向電場(chǎng)阱，但是H模放電的徑向電場(chǎng)阱

8、深要更負(fù)，且阱的最低點(diǎn)更加靠近邊界，在邊界的徑向電場(chǎng)剪切更大。論文中給出了L-H和H-L模轉(zhuǎn)換過程中徑向電場(chǎng)的演化，發(fā)現(xiàn)在L-H轉(zhuǎn)換過程中芯部和邊界的徑向電場(chǎng)都會(huì)變得更負(fù)，但在等離子體邊界密度漲落幅度減小，而芯部密度漲落幅度會(huì)增大;在H-L轉(zhuǎn)換過程則相反。在EAST實(shí)驗(yàn)中我們還觀察到了I-phase振蕩，實(shí)驗(yàn)顯示在I-phase期間徑向電場(chǎng)和密度漲落同頻率振蕩，且徑向電場(chǎng)的變化要領(lǐng)先于密度漲落幅度（湍流強(qiáng)度）和Hα信號(hào)的變化;另一方面我

9、們還發(fā)現(xiàn)徑向電場(chǎng)和密度漲落呈現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的趨勢(shì)，也就是說在I-phase期間徑向電場(chǎng)調(diào)制湍流，最終調(diào)制輸運(yùn)水平;論文中還利用多普勒背向散射儀測(cè)量了H-I-L和L-I-H轉(zhuǎn)換過程中徑向電場(chǎng)的平衡量和漲落量的演化，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)徑向電場(chǎng)的漲落對(duì)I-phase其維持作用，當(dāng)徑向電場(chǎng)的漲落量增大到一定程度后平衡量開始增加，放電狀態(tài)從I-phase進(jìn)入H模;而當(dāng)徑向電場(chǎng)的漲落減小到一定程度時(shí)，放電狀態(tài)從I-phase回到L模。
　　論文中還分析了湍

10、流在邊界局域模緩解和抑制中的作用。超聲分子束注入抑制和緩解邊界局域模實(shí)驗(yàn)中，在邊界局域模被緩解期間我們觀察到了間歇性的小尺度湍流（f～600kHz），正是其增大輸運(yùn)，控制邊界局域模，使其得到緩解。在低雜波調(diào)制加熱抑制邊界局域模實(shí)驗(yàn)中，我們同樣在邊界局域模被緩解期間觀察到間歇性小尺度湍流的，與此同時(shí)我們還觀察到另一種更高頻率的湍流（頻率在4MHz左右）間歇性出現(xiàn)，在邊界局域模被緩解期間，這種高頻湍流與小尺度湍流呈現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的趨勢(shì);而在邊界

11、局域模被完全抑制期間，這種高頻湍流連續(xù)出現(xiàn)，但是這種高頻湍流是如何產(chǎn)生的，究竟屬于一種什么模式，仍需要進(jìn)一步的研究和探索。
　　論文最后我們利用時(shí)域有限差分方法完成了多普勒背向散射的二維全波模擬，驗(yàn)證了微波反射與散射測(cè)量的局域性;模擬中顯示當(dāng)密度漲落幅度較低時(shí)，多普勒頻移的幅度與密度漲落幅度成正比。論文中還比較了背向散射和前向散射的區(qū)別，結(jié)果顯示背向散射的多普勒頻移大小與密度漲落幅度無關(guān)，僅有密度漲落的垂直運(yùn)動(dòng)速度和入射角度（入射