直線磁化裝置中漂移波湍流-帶狀流系統(tǒng)的自調(diào)節(jié)動力學(xué)實驗研究.pdf

1、本文主要研究了在直線磁化等離子體裝置中，存在的一種由漂移波湍流自發(fā)產(chǎn)生的電勢漲落結(jié)構(gòu):帶狀流(zonal flow)。理論研究表明，在環(huán)位型等離子體中，帶狀流具有極向和環(huán)向?qū)ΨQ，而徑向波數(shù)有限的特殊空間結(jié)構(gòu)。帶狀流存在兩個分支:測地聲模（Geodesic Acoustic Mode，簡稱為GAM）和低頻帶狀流(Low Frequency Zonal Flow，簡稱LFZF)。其中GAM是帶狀流在環(huán)形效應(yīng)下耦合產(chǎn)生的。
　　理論和模

2、擬研究表明:帶狀流從背景湍流中獲得能量，進(jìn)而降低湍流的幅度;同時又通過E×B剪切調(diào)制背景湍流，從而降低湍流的徑向相關(guān)長度，這兩個過程都起到了抑制湍流幅度和橫越磁場的輸運，改善約束效果的作用。漂移波湍流和帶狀流整體構(gòu)成了一個自調(diào)節(jié)的體系，稱為漂移波-帶狀流系統(tǒng)，這個概念現(xiàn)在已經(jīng)被廣為接受。因此，在磁約束聚變領(lǐng)域中，帶狀流扮演著一個極其重要的角色。
　　與托卡馬克，仿星器等大型磁約束實驗裝置相比，直線磁化等離子體裝置是一種相對小型的磁

3、約束裝置。這類裝置通常具有較為簡單和便于分析的磁場位型，裝置操作和等離子體參數(shù)全面測量也比較簡單等優(yōu)點，有利于很多基礎(chǔ)物理問題更加深入的實驗研究。目前國際上仍舊有許多此類的裝置維持運行，并且獲得了很多重要的物理結(jié)果。
　　直線磁化等離子體裝置（Linear Magnetic Plasma Device，簡稱LMPD）是由中國科學(xué)院基礎(chǔ)等離子體物理重點實驗室自發(fā)設(shè)計和安裝。在該裝置中，筆者發(fā)現(xiàn)隨著實驗區(qū)背景磁場的逐漸增加，獲得了含有

4、密度梯度驅(qū)動的漂移波相干模諧波的寬譜湍流，并且?guī)盍麟S之出現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，通過安排朗繆爾探針陣列實驗驗證了帶狀流具有完全符合理論和模擬工作所預(yù)言的低頻帶狀流的模特征，即角向模數(shù)m=0，軸向平行波數(shù)k‖=0，而徑向波數(shù)有限(k)r(=)0.15cm-1，△kr(=)1.14cm-1，并且中心模頻率接近為0。
　　通過對不同磁場下角向間隔為π的懸浮電位互功率譜密度進(jìn)行洛倫茲型分布函數(shù)擬合的結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)在B=480～940Guass這

5、樣一段磁場范圍內(nèi)，所得的半高寬參數(shù)變化很小，這說明在磁場變化時，帶狀流的阻尼率幾乎保持不變。帶入等離子體參數(shù)通過計算筆者發(fā)現(xiàn)離子-中性粒子碰撞阻尼率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于由于離子粘滯而導(dǎo)致的阻尼率。因此，離子-中性粒子碰撞阻尼應(yīng)當(dāng)是筆者實驗中帶狀流的主要線性阻尼機制。而該阻尼率基本不隨磁場變化，這和我們的計算結(jié)果是自洽的。
　　使用自雙譜分析，筆者發(fā)現(xiàn)LFZF和高頻湍流發(fā)生明顯的三波耦合，通過包絡(luò)分析方法，筆者認(rèn)為其中包含了幅度調(diào)制和相位調(diào)制兩

6、個過程，前者主要反映了帶狀流從背景湍流中通過非線性耦合獲得能量的產(chǎn)生過程，即參量不穩(wěn)定性;而后者主要反映了帶狀流產(chǎn)生之后對背景湍流的剪切作用，即多普勒剪切效果。
　　通過改變磁場，進(jìn)行了漂移波-帶狀流系統(tǒng)中的自調(diào)節(jié)動力學(xué)實驗研究。實驗結(jié)果表明，隨著磁場逐漸增加，湍流線性增長率增大，系統(tǒng)總能量增加，而帶狀流則在某個磁場閾值處開始產(chǎn)生并逐漸增強。通過比較不同成分能量的比值隨湍流總能量的變化趨勢，我們發(fā)現(xiàn)其規(guī)律與理論提出的”捕獵者-獵物

7、”模型(the generalized predator-prey model)很好地符合，并且可以根據(jù)該理論進(jìn)一步獲得漂移波的增長率隨系統(tǒng)總能量或磁場變化的定性關(guān)系。
　　為了研究帶狀流對背景湍流的調(diào)制作用效果，對不同帶狀流能量下的背景湍流的徑向和角向平均波數(shù)(k)r及波數(shù)展寬△kr的變化趨勢進(jìn)行了研究，結(jié)果表明帶狀流對湍流存在調(diào)制作用，該作用使得背景湍流的徑向平均波數(shù)和波數(shù)展寬增加，從而減小其徑向輸運步長，抑制輸運;同時角向平

8、均波數(shù)和波數(shù)展寬都減小，這說明湍流渦旋結(jié)構(gòu)在帶狀流的作用下被扭曲，其徑向尺度減小而角向尺度增加，與理論和模擬結(jié)果相符合。
　　我們還通過條件分析方法，深入細(xì)致地研究了帶狀流對徑向粒子通量的抑制作用效果。實驗結(jié)果表明該作用主要是由于密度和電勢漲落之間的互相關(guān)因子被顯著抑制所導(dǎo)致的，與某些理論和實驗結(jié)果相符合。
　　另外，我們還嘗試使用計算非線性能量耦合方程和能流來研究帶狀流和背景湍流之間的非線性能量交換機制。
　　最后，