HL-2A装置破裂预报系统设计与研究

国际上现代聚变实验的大装置纷纷发现破裂放电而导致电流突然中止，造成装置遭受重大的危害。因而在HL-2A装置上建立一种预报放电破裂先兆的报警系统，设计并实现了MHD的实时检测与处理系统。研究结果表明，该系统可以实时地预报放电破裂先兆．避免能量与电流突然衰竭。     

HL-2A装置破裂放电期间逃逸电子产生过程的实验观测

大破裂放电不仅会在第一壁和偏滤器靶板上产生巨大的热负载沉淀和强烈的电磁力，而且会产生强烈的逃逸电子。逃逸电子的产生给托卡马克的运行造成很大的危害。它的巨大能量可以使装置的某些部份被击穿。等离子体电流熄灭时，环电压有明显上升。因为，等离子体电流的快速下降能引起感应电压，其值能通过环电压线圈测到。     

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HL-2A和HL-1M装置采用了激光吹气注入高Z杂质来缓减大破裂中的等离子体电流衰竭,并给出了初步实验结果。在HL-2A装置上建立了利用MHD扰动的参量预报放电破裂先兆的报警系统,研制了MHD实时检测与处理系统,实现了放电破裂先兆的预报、快速触发激光吹气、形成阻性高辐射等离子体、消耗热能和磁能,缓减大破裂。实验证明,这是一种使得大型聚变实验装置在放电破裂之前显著减少等离子体中热能和磁能,而且能安全终止放电的简单、快速和有效的途径。     

HL-2A装置高密度破裂的实验观测

大破裂发生时，不仅会在第一壁和偏滤器靶板上产生大的热负载沉积。并会由于晕电流而产生强烈电磁力。这种电磁力能够对偏滤器室及真空室内的部件造成损害。因此，如何避免大破裂放电是托卡马克运行中一个重要课题。为了减轻和控制大破裂，必须清楚地认识其产生机制和发生特性。     

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利用TSC程序非刚性、可变形等离子体模型的特点，对EAST装置等离子体由于发生垂直位移事件而产生破裂的过程进行了模拟，计算了halo电流和真空室应力在破裂过程中的变化情况，对不同初始条件的破裂情况进行了比较，并模拟了利用杀手弹丸注入快速熄灭等离子体的过程。     

EAST上由垂直不稳定性引发破裂的分析与预测

从EAST 装置2016 年的放电实验中，选取了119 次等离子体破裂放电数据，分析诱发等离子体破裂的原因，发现约60%的破裂是由垂直不稳定性直接引起的，其破裂后将会产生更大的晕电流，从而产生更大的电磁应力损坏装置。对由垂直不稳定性引起的破裂(简称为VID)(72 次放电)进行了研究，建立了分别基于单变量(垂直位移)和两维变量(垂直位移、垂直位移增长率)的预测模型用于对VID 破裂的预测。离线测试表明，基于两维变量的预测模型可以在破裂发生前20ms 给出破裂预警信号，预测成功率达93%。     

用激光吹气注入高Z杂质使HL-1M托卡马克放电安全终止的研究

采用高Z杂质注入HL-1M等离子体中, 触发等离子体电流衰竭的实验已经施行.用激光吹气注入高Z杂质能够增加辐射冷却，等离子体在-3ms时间内迅速冷却而且在电流终止之前电子温度损失约80%.实验证明：它是一种使得大型聚变实验装置上在放电破裂之前显著减少等离子体中热能而且安全终止放电的简单、快速和有效的途径. 关键词： 高Z杂质 破裂 等离子体终止 激光吹气     

丝电爆过程的电流导入机理

丝电爆制备纳米粉时, 电流从电极导入金属丝的过程直接影响电极烧损和粉末中微米级大颗粒产生. 分别通过接触和气体放电两种方式导入电流进行电爆试验. 结果表明, 光测量装置检测到的丝端部光电流几乎与回路放电电流同时产生, 而中间位置的光电流则要滞后一段时间; 由探针收集的产物确定, 金属丝端部主要形成熔融粒子, 中间部分主要形成气相粒子. 分析可知, 接触方式导入电流时, 丝端部也存在气体放电现象, 大电流主要通过气体放电形成的等离子体导入. 等离子体对电流的旁路作用会阻碍能量向金属丝沉积, 这是产生微米级大颗粒和"积瘤"主要原因. 通过气体放电方式导入电流时, 电极烧损明显减轻, 并可以避免"积瘤"产生.     

HL-1装置电流上升段MHD不稳定性

在托卡马克放电的初始阶段,由于存在变化的等离子体电流,一般会出现等离子体电流的趋肤分布,这种分布会导致MHD不稳定性的发展和产生破裂。早期的托卡马克实验,对放电初始阶段的MHD扰动现象做过许多讨论和研究。A1cator-A在电流上升段观测到的大多数破裂发生在q_L=1.6模处,同时观察到MHD扰动模式随时间从高模向低模的发展。电流初始阶段的上升率对平顶段的放电特性也有重大影响,在FT上,只有在等离子体电流上升率为1.2—2.6MA.s~(-1)时,才能实现低q_L的等离子体参数运行。     

HL—1装置放电中限制器上的硬X射线发射

观察了在ＨＬ－１装置放电电流上升段、坪区和下降部分由逃逸电子引起的硬Ｘ射线发射模式；硬Ｘ射线发射与破裂、ｍ＝２，３扰动、环电压尖峰、ＩＯＣ放电和超热电子辐射等的关系。给出了３００－３０８ｍｓ间硬Ｘ射线的闪烁脉冲幅度谱，最大能量为６．６ＭｅＶ。     

HL－1装置放电中限制器上的硬X射线发射

观察了在ＨＬ－１装置放电电流上升段、坪区和下降部分由逃逸电子引起的硬Ｘ射线发射模式；硬Ｘ射线发射与破裂、ｍ＝２，３扰动、环电压尖峰、ＩＯＣ放电和超热电子辐射等的关系。给出了３００－３０８ｍｓ间硬Ｘ射线的闪烁脉冲幅度谱，最大能量为６．６ＭｅＶ．     

脉冲氙灯放电过程分析与实验测定

脉冲氙灯是一种新型光源,利用量子理论以及气体放电理论分析了脉冲氙灯放电过程,设计了放电测试系统,实验测定了放电过程中的电压、电流和光脉冲信号。结果表明：在预电离阶段自由电子浓度较低,能量较低;气体放电阶段灯内形成电子崩,使得自由电子浓度的增大,放电电流迅速上升,电压下降;离子复合时释放出光子形成光脉冲,氙灯脉冲的光能量输出和光谱特性与复合电子能量、氙气复合能级相关,而当输入能量与氙灯的能耗不一致的时候,将导致充电电容反复充放电,而使电路产生振荡。对于分析脉冲氙灯放电过程,优化放电回路参数设计和脉冲氙灯的生产具有重要意义。     

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利用硬X射线探测系统监测HT-7托卡马克装置中逃逸电子轰击到装置第一壁材料时所产生的高能硬X射线,研究了在放电平顶阶段提高等离子体密度对逃逸电子行为的影响。实验结果表明,通过提高放电平顶阶段等离子体密度,HXR强度迅速降到很低的水平,这意味着能有效减少这个阶段形成的逃逸电子的数目及能量。     

HL-1装置逃逸电流的数值模拟

本文对HL-1装置放电中的逃逸电流进行了零维数值模拟。考虑了逃逸电子的产生和损失,电子及离子的能量平衡与粒子数平衡。数值结果与实验较为符合。     

HL—1装置密度极限破裂分析

HL-1装置上观测到大量的密度极限破裂放电。其主要特性是破裂前偏离几何中心的磁面位移很小,中心区总是观测到锯齿现象,破裂后,其电流中断时间大于20ms。本文详细分析了出现在电流上升段,坪段及下降段密度极限破裂的特征。其中一类是由于辐射功率超过加热功率所确定的村上极限,没有观测到先兆振荡;另一类是由于约束变坏所确定的赫吉尔极限,可观测到驰豫几毫秒的先兆振荡,这类放电破裂后多数能恢复。该装置运行的最大村上参数是0.35×10~(20)m~(-2).T~(-1)。     

HL-2A等离子体约束参数的实时确定

在HL-2A等离子体放电过程中，利用CF编码计算出的等离子体边界磁场，计算出Shafranov 积分S₁，S₂和S₃,再利用反磁磁通导出极向比压β_p，等离子体内自感l_i，等离子体磁轴的大半径R_m，等离子体的能量W_dia，能量约束时间τ_E；再用电流矩导出等离子体的电流中心(R_c,Z_c).实时确定这些量对于及时了解和改进装置的放电和改善等离子体性能很有意义. 关键词： 等离子体约束 Shafranov 积分     

EAST反向束在不同电流平台下注入的实验分析

对EAST装置在相同束放电参数不同等离子体电流平台下开展的束反向注入实验进行了比较分析，并利用NUBEAM程序分析了不同的等离子体电流放电平台对束电流驱动、束功率沉积、束功率沉积分布及束能量损失的影响，以此来寻求优化的注入本底等离子体参数。结果表明，较高的电流平台更有利于束与等离子体的作用以及更有效提高本底等离子体温度、束驱动电流及等离子体旋转，更有效改善等离子体约束品质。     

微隙介质阻挡放电装置中的空气均匀放电光谱特性

大气压空气中介质阻挡均匀放电产生的等离子体在工业领域具有广阔的应用前景,为研究其产生条件及机理,利用微间隙介质阻挡放电装置,在大气压空气中实现了均匀放电。电学实验结果表明,低电压时电流波形在电压每半个周期存在若干个脉冲宽度很小的脉冲,肉眼观察到大量的微放电丝,随着外加电压增加,放电功率逐渐增加,放电空间内微放细丝增多。当电压增大到9.2 kV时,电流波形在电压每半个周期只存在一个宽度较大(约5.5 μs)强度较强的脉冲,观察不到微放电丝,微放电最终扩展叠加形成均匀放电。采集了光谱范围为330～420 nm的发射光谱,氮分子第二正带系337.1 nm的谱线强度明显比氮分子离子第一负带系391.4 nm的强。将337.1 nm谱线的强度归一,391.4 nm谱线的强度即反应了电子平均能量的大小,同时拟合计算了反映分子内部能量的氮分子振动温度。结果表明电子平均能量和分子内部能量都随外加电压的增加而降低。表明放电空间电场能量较低时不容易形成丝状放电,均匀放电模式中电子平均能量比微放电丝放电模式中的低。这些结果对于空气中介质阻挡均匀放电在工业应用方面具有一定的指导意义。     

微空心阴极放电时空特性

为了揭示微空心阴极放电的放电机理,利用流体模型研究了矩形微空心阴极放电的时间和空间分布特性。在氩气环境下计算得到了压强为1.3×10~4Pa时电流、电势、电场、电子和离子密度等随时间的发展变化。结果表明,整个放电过程分为四个阶段,即预放电阶段、电场由轴向向径向转换阶段、电流缓慢增长向空心阴极效应过渡阶段和稳态放电阶段。稳态放电时出现明显的空心阴极效应,阴极位降区存在很高的径向电场和较高的电子平均能量,而负辉区径向电场很弱,电子平均能量较低,电子和离子密度峰值出现在负辉区,二者数值基本相等,而在阴极位降区离子密度远高于电子密度。     

氦气空心阴极放电动力学过程的模拟研究

利用流体模型模拟研究了氦气空心阴极放电的时空动力学过程,计算得到了不同放电时刻电子和亚稳态氦原子密度、电势、电场、基态电离速率和分步电离速率等的时空分布特性。特别是讨论了亚稳态原子和分步电离对于放电的影响。结果表明,随着电流的增长,放电处于五个不同的放电模式:第一阶段电流上升非常缓慢,为汤生放电模式,带电粒子密度、亚稳态原子密度和径向电场均很弱;第二阶段电流迅速上升,放电模式由汤生放电向空心阴极放电过渡,带电粒子密度、亚稳态原子密度和径向电场迅速增强;第三阶段达到准稳态阶段,放电电流增长速度变缓,形成了明显的阴极鞘层结构;第四阶段为空心阴极效应形成阶段,向稳态阶段过渡;第五阶段为稳态放电阶段。研究结果同时表明,亚稳态氦原子和分步电离在放电的初始阶段对于放电的发展作用较弱,在前三阶段中,电子的产生以基态电离为主。随着放电的发展,由亚稳态原子引起的分步电离对新的电子产生的作用逐渐接近并超过基态电离,对总电离的贡献率越来越高。