基于超级电容器的充放电电路系统研制及其在EAST限制器探针测量中的应用

EAST限制器探针安装在低场侧限制器,在环向上共有两个阵列,可以同时工作在悬浮电位测量、离子饱和流测量和扫描单探针模式.当朗缪尔静电探针运行在离子饱和流测量模式时,需要为其提供稳定的偏压.本文采用大容量电容器为探针提供偏压,相比于其他磁约束聚变装置上使用的9 V干电池组,大容量电容器具有电压设置灵活、易于维护和环保等优点.为此,研发和测试了整套超级电容器的充放电控制电路.本文还基于Python语言开发了超级电容器充放电控制电路的控制软件,通过该软件可以实现对电路的远程控制和自动控制.经实验测试,电容器充放电控制电路可以在长脉冲放电条件下为探针输出稳定的偏压,适用于磁约束聚变的复杂电磁环境.通过将超级电容器充放电控制电路应用于EAST限制器探针诊断,测量了2.45 GHz和4.6 GHz两种低杂波加热条件下刮削层等离子体离子饱和流、悬浮电位、电子温度和密度等特征参数的三维分布,发现2.45 GHz低杂波加热时刮削层电子密度较高,而双波协同加热时刮削层电子密度最高.这一系列测试与物理实验充分验证了超级电容器充放电控制电路的可靠性和稳定性.     

EAST上基于端口密度测量的低杂波耦合研究

介绍了一套安装在EAST装置低杂波天线端口上方,用来测量端口附近电子密度的Langmuir三探针系统及其初步实验结果。此探针系统由探针、测量电路、数据采集以及数据处理四部分构成。实验结果表明：在低杂波天线端口充气的条件下,低杂波注入后端口密度会有明显的增加。端口密度与反射系数的关系与理论趋势一致,EAST上低杂波耦合的最佳密度出现在4~5×10¹⁷m^-3。     

交指型腔体滤波器设计

为抑制EAST装置现场的电磁信号对低杂波系统运行的干扰,设计了一个交指型腔体滤波器,其中心频率为2.45GHz,带宽为0.245GHz。介绍了交指型腔体滤波器的设计思路和方法,利用高频电磁仿真软件HFSS仿真提高了设计效率和精度。     

HT-7低杂波电流驱动效率与有效电荷数及电子温度的关系

在HT-7超导托卡马克中进行了低杂波电流驱动的功率扫描实验,功率变化范围为100kW至700kW,频率为2.45GHz。研究了等离子体平均有效电荷数及电子温度与低杂波功率之间的关系。给出了不同功率下低杂波电流驱动效率与有效电荷数及电子温度之间的关系:HT-7装置低杂波驱动效率与电子温度成正比,与有效电荷数成反比。指出了动态杂质控制是改善低杂波电流驱动效率的关键问题。     

EAST装置上ERD光谱诊断系统设计

在EAST装置上研制了一套边界旋转测量系统(ERD)用于测量边界等离子体环向/极向旋转速度和离子温度分布。前置收光系统采用了嵌入式(plug-in)结构,便于系统调试与维护。光谱仪设计成多入射狭缝结构,可容纳更多的光纤,提高了其利用率。探测器选用了高灵敏度和高动态范围的电子倍增CCD(EMCCD)探测器。使用了含高OH基浓度的石英光纤,可以承受一定剂量的中子辐射。系统设计的测量波段为350~800nm,最高时间分辨为15ms,空间分辨为1cm。低杂波注入下的实验结果与早期EAST上二维弯晶谱仪与快速往复探针联合实验的结论一致。     

东方超环上低杂波驱动等离子体环向旋转实验研究

旋转和旋转剪切能抑制磁流体不稳定性和增强等离子体约束.低杂波电流驱动作为未来聚变堆上可能的旋转驱动手段,探索低杂波在现有托卡马克装置上驱动等离子体旋转的驱动机制,可以为未来的聚变堆上旋转预测提供重要参考.在东方超环托卡马克装置上,早期发现了2.45 GHz的低杂波能有效驱动等离子体旋转的现象,认为是边界旋转的改变导致芯部旋转的同电流方向的增加造成的.更高频率下4.6 GHz低杂波电流驱动可以更有效地驱动同电流方向的等离子体旋转.本论文分析在欧姆背景等离子体下,不同功率的低杂波对等离子体环向旋转的影响,研究安全因子剖面变化对环向旋转的关系,利用功率调制获得了低杂波驱动旋转实验中的环向动量输运系数变化情况,发现环向动量扩散系数(χφ)、环向动量箍缩系数(Vpinch)的数值大小趋势是从芯部向靠外的区域逐渐变大.这与低杂波驱动环向旋转时,环向旋转速度由靠外的区域向芯部传递的特性吻合.     

EAST 磁探针 NS 值标定

为了获得精准的磁场测量数据,基于磁探针测量磁场的基本原理,构建了由长螺线管、交流电源、标准探针和数据采集系统组成的长螺线管标定系统,对EAST 磁探针垂直于磁感应强度方向的总有效面积(NS 值) 进行了精确的标定,并对标定数据进行了分析处理。获得的结果符合预期的误差要求,为磁探针精确测量托卡马克中的磁场提供了前提条件。     

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介绍了EAST低杂波系统天馈线保护的设计及其实现。针对EAST装置低杂波系统微波陶瓷窗破裂的原因,在低杂波系统天馈线上设置了高反射保护和打火保护两种保护措施,其中打火保护可以在打火发生后20μs以内迅速切断微波输出。实验结果表明,两种保护并行工作,能有效地保护整个波系统。     

EAST装置的磁探针设计

介绍了EAST装置中磁探针设计中的结构、安装位置、匝面积的标定、幅频响应,并给出了该磁探针的标定误差和Mirnov线圈幅频响应特征图。两轮EAST放电试验表明,电磁测量的信号满足装置运行和等离子体控制的需要。     

基于人工传输线的小型平衡型Wilkinson功分器（英）

提出了一种基于人工传输线并采用双面平行带状线实现的小型平衡型Wilkinson功分器。该器件采用人工传输线取代传统传输线以减少电路尺寸,同时引入双面平行带状线结构用来实现功分器平衡的功能。设计的功分器尺寸仅为传统Wilkinson功分器的25%。测试结果表明,设计制作的平衡Wilkinson功分器在0.83 GHz至1.05 GHz带宽范围内相位平衡度1.28,幅度平衡度0.17 dB,回波损耗大于16.79 dB,端口隔离度大于16.21 dB。测量结果和仿真结果吻合良好,证实了该功分器具有良好的性能。     

电磁波在大面积等离子体片中传播特性的分析

脉冲磁约束线形空心阴极放电形成的大面积等离子体片可应用于等离子体天线、隐身及模拟超音速飞行器表面的等离子体鞘套. 本文首次利用实测等离子体片电子密度时空分布和横向场传播矩阵法, 研究了电磁波在等离子体片中反射率、透射率、吸收率随频率及脉冲放电时间的变化特征. 结果表明: 极化方向平行磁场的电磁波, 在小于截止频率的低频带内具有较高的反射率和吸收率, 增大电流, 反射率增加, 吸收率下降, 在大于截止频率的高频带内反射率和吸收率较低, 增大电流, 透射率下降, 吸收率升高; 极化方向垂直磁场的电磁波在高混杂谐振频率附近存在吸收率明显增强的吸收带, 谐振吸收峰值与放电电流无关; 脉冲放电期间, 电磁波的反射率、透射率与吸收率由不稳定过渡到稳定的时间约为100 μs, 过渡时间随着放电电流的增加而增大, 极化方向垂直磁场、小于截止频率的电磁波在稳定放电阶段谐振吸收较强. 本文的研究成果对利用等离子体片实现对电磁波的稳定高反射作用具有重要意义.     

Toroidal rotation induced by 4.6 GHz lower hybrid current drive on EAST tokamak

Using a tangentially viewing x-ray imaging crystal spectrometer, substantial co-current rotation driven by lower hybrid current drive(LHCD) at 4.6 GHz is observed on EAST tokamak. This study presents plasma rotation behaviors with 4.6 GHz LHCD injection. Typically, the 10-20 km/s co-current rotation change and the transport of rotation velocity from edge to core are observed. The relationship between plasma parameters and rotation is also investigated, indicating that rotation decreases with increasing internal inductance(l_i) and increases with increasing safety factor(q_0). Hysteresis between rotation and T_e plasma stored energy is observed, suggesting different response times between the electron heating and rotation acceleration by LHCD. A comparison between the rotations driven by 4.6 G LHCD and 2.45 G LHCD on EAST is also presented, in which higher frequency LHCD could induce more rotation changes.     

Optimized calculation of the synergy conditions between electron cyclotron current drive and lower hybrid current drive on EAST

The optimized synergy conditions between electron cyclotron current drive(ECCD) and lower hybrid current drive(LHCD) with normal parameters of the EAST tokamak are studied by using the C3PO/LUKE code based on the understanding of the synergy mechanisms so as to obtain a higher synergistic current and provide theoretical reference for the synergistic effect in the EAST experiment. The dependences of the synergistic effect on the parameters of two waves(lower hybrid wave(LHW) and electron cyclotron wave(ECW)), including the radial position of the power deposition, the power value of the LH and EC waves, and the parallel refractive indices of the LHW(N) are presented and discussed.     

新型大气压微波等离子体炬的仿真研究

 设计了一种新型的大气压微波等离子体炬结构。入射主频为2 450 MHz,基于HFSS软件对其进行了仿真研究。在仿真过程中,对该结构的各个参数进行了优化,并得出对场强分布的影响规律。结果表明,探针的使用对腔内场分布有很大影响。根据优化参数对微波等离子体炬进行了仿真模拟,在等离子体发生腔产生了高幅值的电场强度,品质因数达到2×10⁴,可以在大气压下激发等离子体。     

Direct observation of electron-Bernstein wave heating by O-X-B-mode conversion at low magnetic field in the WEGA stellarator

The ordinary-extraordinary-Bernstein-mode conversion process for overdense plasma heating with electron-Bernstein waves is demonstrated in the WEGA stellarator at low magnetic field (approximately 50 mT) at 2.45 GHz. For the first time the conversion from an O wave to an X wave is clearly demonstrated by probe measurements of amplitude and phase of the wave field in the conversion region and supported by two-dimensional full-wave calculations. The propagation and resonant absorption of the Bernstein wave is measured in fast power modulation experiments.     

Monte Carlo simulation of lower hybrid current drive in tokamaks

In this paper, we present a method for noninductive current drive studies based on three-dimensional simulation of test particle orbits. A Monte Carlo momentum diffusion operator is developed to model the wave-particle interaction. The scheme can be utilized in studies of current drive efficiency as well as in examining the current density profiles caused by waves with a finite parallel wave number spectrum and a nonuniform power deposition profile in a toroidal configuration space of arbitrary shape. Calculations performed with a uniform power deposition profile of lower hybrid waves for axisymmetric magnetic configurations having different aspect ratios and poloidal cross-section shape confirm the semianalytic estimates for the current drive efficiency based on the solutions of the flux surface averaged Fokker-Planck equation for configurations with circular poloidal cross section. The consequences of the combined effect of radial diffusion, magnetic trapping and radially nonhomogeneous power deposition and background plasma parameter profiles are investigated     

EAST低混杂波功率沉积和电流驱动剖面控制的数值模拟

对原有的低混杂波电流驱动模拟程序进行改进,使之能够研究EAST上如何控制低混杂波功率沉积和电流驱动分布.在EAST非圆截面的平衡位形下,应用改进后的程序详细计算不同低混杂波功率谱、等离子体密度和温度分布对低混杂波功率沉积位置和电流驱动剖面分布的影响.通过计算发现,选取合适的低混杂波功率谱,等离子体温度分布和密度分布可以对功率沉积位置和电流驱动分布的剖面进行控制;调节等离子体温度分布可以很好的控制低混杂波近轴电流驱动分布和离轴电流驱动分布.