EAST托卡马克上共振磁扰动对锯齿行为的影响

锯齿振荡是托卡马克装置上常见的磁流体不稳定性之一.先进实验超导托卡马克(experimental advanced superconducting Tokamak,EAST)装置放电中观察到外加共振磁扰动(resonant magnetic perturbation,RMP)会影响锯齿振荡行为.本文研究了环向模数n=2的RMP对锯齿周期的影响.通过RMP线圈相位差扫描实验发现,当RMP上下线圈(n=2)相位差Δφ_UL发生变化时,扰动场的谱型发生变化,锯齿周期和崩塌幅度也随之发生明显的改变.单流体电阻磁流体力学(MARS-F)程序分析表明,在相同实验条件下,当RMP上下线圈(n=2)相位差为Δφ_UL=270°时,等离子体芯部区域的响应最强,此时锯齿周期和幅度最小.锯齿行为的改变可能与RMP引起的快离子损失相关.该研究利用RMP上下线圈(n=2)实现对锯齿行为的有效调控,有利于未来EAST发展高比压放电条件下的大锯齿自动控制技术.     

托卡马克装置中等离子体环向旋转对三维响应场的影响

本文利用MARS-F程序,数值研究了HL-2M托卡马克装置高比压等离子体中,环向旋转对外加共振磁扰动场的响应特性的影响.研究发现,等离子体响应显著改变共振磁扰动的谱分布,并影响等离子体内部共振磁扰动场与共振磁扰动线圈电流相位差的依赖关系,从而改变有理面处径向扰动场的幅值.当边界旋转频率较小时,在最外有理面处,等离子体响应对外加共振磁扰动场有明显的放大效应.通常,边缘局域模的控制效果依赖于最外有理面处共振磁扰动场的幅度,因此可通过控制旋转剖面实现对共振磁扰动场的调控,进而优化边缘局域模的控制方案.     

托卡马克等离子体中共振磁扰动场放大效应对离子轨道特性的作用

首先,利用MARS-F程序模拟了HL-2A装置中不同电阻率、环向旋转频率和环向模数条件下等离子体对共振磁扰动(RMP)的线性响应过程,分析了不同情况下共振场放大效应对三维扰动磁场的影响;然后,利用Boris算法追踪了三维场作用下的离子轨道,并详细探究了不同扰动磁场改变离子轨道特性的物理机制.研究发现,考虑等离子体响应后的扰动磁场可增强离子轨道径向展宽,且轨道最大径向展宽随轨道上扰动磁场平均值的增大而增大;同时,离子在通过扰动磁场被强烈放大的区域时轨道径向展宽会显著增加.该物理机制可用于解释RMP缓解边界局域模实验中离子直接损失增加和等离子体径向输运增强现象.     

双等离子体团相互作用的磁流体力学模拟

利用商用磁流体力学模拟程序USIM对双等离子体团相互作用过程进行了数值模拟,分别考察和比较了双对流等离子体团在外加磁场和无外加磁场情况下,相互作用的物理过程.发现在外加磁场情况下等离子体团相互作用会伴随着磁重联(反向磁场)、磁排斥(同向磁场)以及一些不稳定过程.针对激光产生等离子体团错位相互作用实验,进行了标度模拟,发现外加磁场起着重要作用,进一步表明激光等离子体的磁化特征.研究结果为下一步在神光Ⅱ激光装置进行强磁环境下等离子体实验提供理论指导.     

托卡马克中共振螺旋场对撕裂模的影响

本文在共振螺旋场(RHF)条件下,对撕裂模的时间演化过程进行了数值计算。在等离子体内部磁扰动与外加RHF的相位差不同时,分析了撕裂模的不同发展过程和结果。认为RHF可以最终改变托卡马克中的饱和磁岛宽度。     

等离子体对共振磁扰动的流体和动理学响应的模拟研究

本文利用MARS-F/K程序和解析方法,模拟研究了‘类-DEMO’平衡下等离子体对共振磁扰动的流体响应和动理学响应.研究发现,当新的有理面经过等离子体边缘台基区时,最外层有理面处总径向扰动场b₍res(tot))¹和等离子体边界X点附近扰动位移ξX两个优化参数在特定的q₉₅(95%归一化极向磁通量处的安全因子)窗口出现峰值,峰值的个数y与环向模数n呈正相关,即y≈n?q₉₅(?q₉₅=3.5).上下两组线圈电流相位差的最优/差值与q₉₅之间满足线性依赖关系,可用线性函数进行拟合.线圈电流幅值的优化不改变电流相位差的最优值,但可以增大优化参数ξX.线圈电流幅值的最优值依赖于环向模数n.包含背景粒子和高能粒子动理学效应的结果表明,对于低β(等离子体比压值)等离子体,动理学响应与流体响应保持一致,与有无强平行声波阻尼无关;而对于高β等离子体,在流体响应模型中需要考虑动理学效应的修正作用.考虑强平行声波阻尼(κ_∥=1.5)的流体响应模型能够很...     

脉冲电弧等离子体激励控制超声速平板边界层转捩实验

脉冲电弧等离子体激励器具有局部加热效应强、扰动范围广等特点,在超声速流动控制中具有广阔的应用前景.本文运用电参数测量系统和高速纹影技术研究了脉冲电弧等离子体激励器在Ma=3来流条件下的电特性和流场特性;采用纳米粒子平面激光散射技术对超声速平板边界层的流动结构进行了精细测量,并对不同等离子体激励频率下的边界层转捩特性进行了研究.实验结果表明,脉冲电弧放电会产生速度较高的前驱冲击波和温度较高的热沉积区,给边界层施加连续不断的扰动.施加扰动的脉冲电弧等离子体激励能够促进超声速平板边界层转捩.并且脉冲放电的高频冲击效应可以促进转捩提前发生,且频率越高,效果越好,当施加激励频率为60 k Hz时,转捩区长度为0,湍流边界层厚度为25 mm.脉冲电弧等离子体激励器可以用来促进超声速边界层转捩.     

低杂波注入对剥离气球模的作用

基于BOUT++代码研究了托卡马克高约束模等离子体中低杂波(LHW)注入对边缘台基区剥离气球模(P-B模)线性和非线性特性的影响.模拟中分别考虑了LHW驱动的常规主等离子体电流和刮削层螺旋电流丝(HCF)产生三维扰动磁场对P-B模的作用.线性结果表明,LHW驱动的主等离子体电流通过降低平衡的归一化压强梯度和磁剪切,使得线性环向模谱整体向高模数和低增长率的方向移动.非线性模拟表明,由于线性模谱的展宽,LHW驱动的主等离子体电流对P-B模不同模式具有整体的抑制效果,可以降低边缘局域模(ELM)造成的台基能量损失;LHW驱动HCF产生的三维扰动磁场可以通过增强不同模式之间的耦合,促进主模之外的其他模式增长来降低ELM造成的能量损失.研究发现,HCF产生的三维扰动磁场促进增长的P-B模式集中在较高模数,当P-B模的主导模式远离此模数区间,ELM能量损失降低更明显.研究结果有助于深入理解LHW控制ELM实验中的物理机制.     

等离子体放电柱磁螺旋不稳定性的线性理论

在静电磁流体方程基础上,提出了柱状放电电弧等离子体磁螺旋不稳定性的一种新的线性分析方法.通过数量级分析得到的简化扰动能量方程研究了外轴向磁场中阻抗粘滞m=1慢模,解析地给出了全部解和不稳定性增长率.并讨论了外加轴向磁场、弧电流和弧柱半径与外管壁半径相对大小等对电弧不稳定性的影响 关键词：     

磁场对螺旋波等离子体波和能量吸收影响的数值研究

本文考察在径向电子数密度呈抛物形分布的情况下,外加稳恒磁场,射频通过螺旋波天线在等离子体中激发电磁波的传播性质.采用线性扰动波假设,数值求解Maxwell方程组,得到80—800 G(1 G=10-4T)磁场条件下等离子体中径向电、磁场强度及能量沉积密度的分布情形.计算结果表明,磁场增大(80→800G)时,螺旋波受到的阻尼较小,可深入等离子体传播;Trivelpiece-Gould(TG)波受到的阻尼增大,在等离子体-真空边界处衰减增强;整体的能量吸收向边界集中.磁感应强度小于100 G时,TG波可深入主等离子体区传播,等离子体径向能量吸收相对均匀.     

Toroidal plasma rotation induced by the dynamic ergodic divertor in the TEXTOR tokamak

The first results of the Dynamic Ergodic Divertor in TEXTOR, when operating in the m/n=3/1 mode configuration, are presented. The deeply penetrating external magnetic field perturbation of this configuration increases the toroidal plasma rotation. Staying below the excitation threshold for the m/n=2/1 tearing mode, this toroidal rotation is always in the direction of the plasma current, even if the toroidal projection of the rotating magnetic field perturbation is in the opposite direction. The observed toroidal rotation direction is consistent with a radial electric field, generated by an enhanced electron transport in the ergodic layers near the resonances of the perturbation. This is an effect different from theoretical predictions, which assume a direct coupling between rotating perturbation and plasma to be the dominant effect of momentum transfer.     

EAST中n=4共振磁扰动下等离子体的环向旋转制动

在EAST中n=4的共振磁扰动下观察到明显的等离子体旋转制动效应,其分布具有全局性,且峰值靠近等离子体中心。利用模拟得到的新经典环向粘滞(NTV)力矩来反演等离子体环向角速度的变化,结果表明在大部分径向区域与实验测量的速度变化符合得较好,量值上相差约1~2倍。     

Topology of toroidal helical fields in non-circular cross-sectional tokamaks

The ordinary differential magnetic field line equations are solved numerically; the tokamak magnetic structure is studied on Hefei Tokamak-7 Upgrade （HT-TU） when the equilibrium field with a monotonic q-profile is perturbed by a helical magnetic field. We find that a single mode （m, n） helical perturbation can cause the formation of islands on rational surfaces with q=m/n and q=（m±1,±2,±3,...）/n due to the toroidicity and plasma shape （i.e. elongation and triangularity）, while there are many undestroyed magnetic surfaces called Kolmogorov-Arnold-Moser （KAM） barriers on irrational surfaces. The islands on the same rational surface do not have the same size. When the ratio between the perturbing magnetic field Br（r） and the toroidal magnetic field amplitude Bφ0 is large enough, the magnetic island chains on different rational surfaces will overlap and chaotic orbits appear in the overlapping area, and the magnetic field becomes stochastic. It is remarkable that the stochastic layer appears first in the plasma edge region.     

Reduced critical rotation for resistive-wall mode stabilization in a near-axisymmetric configuration

Recent DIII-D experiments with reduced neutral beam torque and minimum nonaxisymmetric perturbations of the magnetic field show a significant reduction of the toroidal plasma rotation required for the stabilization of the resistive-wall mode (RWM) below the threshold values observed in experiments that apply nonaxisymmetric magnetic fields to slow the plasma rotation. A toroidal rotation frequency of less than 10 krad/s at the q=2 surface (measured with charge exchange recombination spectroscopy using C VI) corresponding to 0.3% of the inverse of the toroidal Alfvén time is sufficient to sustain the plasma pressure above the ideal MHD no-wall stability limit. The low-rotation threshold is found to be consistent with predictions by a kinetic model of RWM damping.     

Measurement of natural plasma flow along the field lines in the scrape-Off layer on the JT-60U divertor tokamak

The plasma profile and parallel plasma flow in the scrape-off layer (SOL) were systematically measured using reciprocating Mach probes installed at the outer midplane and near the divertor magnetic null (x point) in the JT-60U tokamak with a single null divertor. For the ion vertical drift due to the toroidal magnetic field gradient (ion nablaB drift) directed towards the divertor, SOL plasma flow along the magnetic field lines away from the divertor ("flow reversal") was discovered at the midplane far from the divertor. A quantitative evaluation of the ion "Pfirsch-Schluter flow," wherein the parallel flow is naturally produced in a toroidal plasma, was consistent with the measurement.     

不同磁场环境下Heisenberg XXZ自旋链中的热量子失协

本文研究了不同磁场环境下一维Heisenberg XXZ自旋链中两量子比特的热量子失协特性. 在四种不同的磁场环境下: 1) B₁=B₂=0 (无磁场); 2) B₁≠0, B₂=0 (磁场只作用于其中一个量子比特); 3) B₁=B₂ (均匀磁场); 4) B₁=-B₂ (非均匀磁场), 对分别作用在每个量子比特上的磁场B₁和B₂对其量子关联的影响作了详细的讨论, 且数值计算和比较了其量子失协和量子纠缠的异同. 结果显示: 在有限温度下, 量子失协相比于量子纠缠更普遍, 且非均匀磁场相比于均匀磁场对量子失协和量子纠缠更有用, 更有利于量子通讯和量子信息处理过程. 关键词： 量子关联 纠缠 量子失协     

微型电子回旋共振离子推力器离子源结构优化实验研究

微型电子回旋共振(ECR)离子推力器可满足微小航天器空间探测的推进需求. 为此, 本文开展直径20 mm的微型ECR离子源结构优化实验研究. 根据放电室内静磁场和ECR谐振区的分布特点, 研究不同微波耦合输入位置对离子源性能的影响, 结果表明环形天线处在高于ECR谐振强度的强磁场区域时, 微波与等离子体实现无损耦合, 电子共振加热效果显著, 引出离子束流较大. 根据放电室电磁截止特性, 结合微波电场计算, 研究放电容积对离子源性能的影响, 实验表明过长或过短的腔体长度会导致引出离子束流下降甚至等离子体熄灭. 经优化后离子源性能测试表明, 在入射微波功率2.1 W、氩气流量14.9 μg/s下, 可引出离子束流5.4 mA, 气体放电损耗和利用率分别为389 W/A和15%.     

优化重聚脉冲提高梯度场核磁共振信号强度

缩短射频脉冲宽度, 有助于解决脉冲电力消耗大、样品吸收率高、信噪比低等极端条件核磁共振探测的关键问题. 本文首先分析射频脉冲角度对核磁共振自旋回波信号强度的影响机理, 基于Bloch方程推导了回波信号幅度与扳转角、重聚角的关系. 在特制核磁共振分析仪上采用变脉冲角度技术, 分别在均匀磁场和梯度磁场条件下实现对扳转角和重聚角与回波信号强度关系的数值模拟和实验测量. 结果表明, 梯度场中, 扳转角为90°、重聚角为140°的射频脉冲组合获得最大首波信号强度, 比180°脉冲对应的回波幅值提高13%, 能耗降低至78%. 选用该重聚角(140°) 优化设计饱和恢复脉冲序列探测流体的纵向弛豫时间T₁特性, 准确获得 T₁分布.该结果对于低电力供应、且对信噪比有较高要求的核磁共振测量, 如随钻核磁共振测井和在线核磁共振快速检测等, 具有重要意义. 关键词： 核磁共振 信号强度 重聚脉冲角度 Bloch方程     

Confinement time exceeding one second for a toroidal electron plasma

Nearly steady-state electron plasmas are trapped in a toroidal magnetic field for the first time. We report the first results from a new toroidal electron plasma experiment, the Lawrence Non-neutral Torus II, in which electron densities on the order of 10(7) cm(-3) are trapped in a 270-degree toroidal arc (670 G toroidal magnetic field) by application of trapping potentials to segments of a conducting shell. The total charge inferred from measurements of the frequency of the m=1 diocotron mode is observed to decay on a 3 s time scale, a time scale that approaches the predicted limit due to magnetic pumping transport. Three seconds represents approximately equal to 10(5) periods of the lowest frequency plasma mode, indicating that nearly steady-state conditions are achieved.     

负磁剪切等离子体中离子温度梯度驱动不稳定性分析

采用打靶法,数值求解了在负磁剪切托卡马克等离子体中离子温度梯度驱动的复本征模方程.数值计算表明,环向旋转剪切流可以整体上改变剪切板η_i不稳定性.在等离子体极小q磁面附近的芯部区域,环向剪切流有稳定η_i模的作用.