HL-2M 装置扫频 ECE 测量系统研制

为了测量 HL-2M 装置中的电子温度剖面分布,研制了一套扫频电子回旋辐射(SECE)系统。该系统 能够测量装置中心纵场大小在 1.4~2.2T 时的等离子体电子温度。采用扫频外差接收的方式,径向空间分辨达到 2.5cm,时间分辨达到 1ms。接收机前端的准光学系统采用两级金属反射镜的配置,系统能够接收的最小极向光 斑的直径为 1.5cm（波数 k_θ<4.2rad·cm^-1）。系统的频带范围覆盖 33~110GHz,采用 VCO 作为本振源,双边带混频 输出中频信号。后端首次采用高性能对数检波器解调中频,能直接对-70dBm 的微弱信号进行检测,输入-输出工 作区间的动态范围达到 45dB 以上。在实验期间,成功测量到了等离子体中电子逃逸以及回旋辐射产生的信号。     

HL-2M 装置固态亚毫米波干涉系统研制

发展了一套固态亚毫米波外差干涉系统和一种基于全相位快速傅里叶变换(apFFT)的相位处理方法用 于测量 HL-2M 初始等离子体电子密度。该系统采用平面型二极管倍频技术对低频的锁相微波源进行高次倍频以 产生功率大于 0.1MW、频率 306.9GHz 的探测波。基于 apFFT 的相位处理数值算法可以从原始信号中提取相位信 息,缓解由可能的高水平密度扰动导致的相位跳变。系统的固有时间分辨率为 5μs,电子密度测量范围在 10¹⁶~10²⁰m⁻³。在 HL-2M 装置首次实验期间,该系统被安装在中平面上,利用装置内壁反射实现干涉测量,成功 测量了线平均电子密度。      

HL-2A等离子体垂直振荡缓解边缘局域模实验观测

在HL-2A 装置实验中，通过对水平场加入方波扰动，实现了等离子体垂直运动。当等离子体向上垂直运动时，观察到了边缘局域模(ELM)缓解现象。研究发现，等离子体向上运动过程中边缘不断形成新的闭合磁面，导致等离子体体积膨胀，进而使台基宽度增加。此外，ELM 缓解期间杂质和工作气体再循环有所增加。等离子体向上运动过程中体积膨胀、工作气体再循环及杂质增加可能是导致ELM 缓解的主要物理因素。该实验可为未来聚变实验装置ELM 的控制提供一些参考。     

HL-2A充气弹丸注入初步实验结果

介绍了充气夹心弹丸的基本结构、制作工艺和充气弹丸注入器的基本构成以及在HL-2A等离子体中注入的初步实验结果。实验中采用以聚苯乙烯为主的空心微球为载体，直径~0.76mm，壳体厚度~20μm，充满~1.5MPa的氘气的充气弹丸。实验结果表明，充气弹丸注入速度~200m•s^-1，注入深度~12cm，加料效率~60%。     

HL-2A装置高βN双输运垒实验的集成分析

HL-2A托卡马克装置在中性束加热条件下获得了稳定的归一化环向比压(β_N)大于2.5的等离子体,并且实现了瞬态β_N=3.05、归一化密度(n_e,1/n_e,G)～0.6、储能(W_E)～46 kJ和高约束因子(H₉₈)～1.65的高约束性能.本文使用集成模拟平台OMFIT对βN=2.83和βN=3.05时刻的等离子体进行了集成模拟,计算得到的W_E,n_e,1/n_e,G,H₉₈和β_N等与实验参数基本一致,并通过计算发现两种情况下自举电流份额(f_BS)分别约达到45%和46%.此外,还进一步分析了HL-2A装置形成离子温度内部输运垒(ITB)的原因:快离子和E×B剪切流使得芯部湍流输运被抑制,改善了约束,从而形成了离子温度ITB.离子温度的ITB与H模边缘输运垒相互协同形成了高β_N的等离子体.     

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介绍了在HL-2A装置上发展的一套快速扫频的Q波段外差微波反射系统,用于高时空分辨测量等离子体边缘到约束区的电子密度分布。该系统采用外差式连续波扫频调制技术(VCO),由外部任意波电压控制,工作频率为33~50GHz,全波段扫频周期达到6μs。在台面标定中发展了 VCO 源的动态标定技术,并解决了微波源及器件的非线性响应、波导的色散特性等因素造成差频频率动态范围过大的问题,使反射面固定时系统输出的差频为定频信号,有利于降低噪声干扰和数据处理。同时发展了直接相位处理技术,实现快速的电子密度分布反演。实验中用该微波反射系统测得了L模、H模等不同等离子体放电条件下的电子密度分布,观测ELM爆发前后台基区的形成与垮塌过程。     

HL-2A上NBI加热H模实验的集成模拟分析

托卡马克等离子体物理过程时空尺度跨度大,不同空间区域(如芯部、台基区、刮削层、靶板区)的主要物理过程不同,因此需要采用系统集成方法开展全域多时空尺度物理问题分析.为了更加深入地研究托卡马克等离子体放电实验的稳态运行及爬升期间的输运与约束过程,通常采用多种物理程序开展集成模拟研究,对放电实验结果进行集成模拟对照,相互验证并进一步开展物理分析.本文基于OMFIT平台,结合HL-2A装置第37012炮高比压放电实验结果完成了集成模拟验证与分析,验证了程序的可靠性与适用性.在该流程中,通过选取适当的模型,对实验参数进行了校核与补充,经演化后模拟结果与实验结果比较吻合.在此基础上,本文进一步采用TGLF模型开展了芯部静电漂移波线性不稳定性分析,结果显示NBI离轴加热导致H模约束改善的原因是,该实验在NBI功率沉积位置的ETG不稳定性处于被抑制的状态,输运由ITG不稳定性占据主导,同时输运水平降低至新经典水平.     

微波多普勒反射计数据分析的一种优化方法

结合对多普勒频谱的分析,提出一种基于双高斯拟合的轴对称-非对称谱(SAS)分析方法。在此方法下,功率谱主要由轴对称功率谱和非轴对称功率谱两部分组成。前者主要由等离子体截止层密度的扰动调制决定,后者主要由波数为k _⊥=2k₀sinθ 的湍流的极向密度扰动决定。在分析多普勒反射计的数据时,相较于常用的频谱重心(COG)分析方法和相位微分(δ-phase)法,SAS 谱分析不仅提高了求取多普勒频移的准确性,同时还可以获取等离子体中波数为k_⊥ 的极向湍流的密度扰动强度和截止层的密度扰动强度。     

HL-2A 装置上的快扫Q 波段微波反射系统研制

介绍了在HL-2A 装置上发展的一套快速扫频的Q 波段外差微波反射系统,用于高时空分辨测量等离子体边缘到约束区的电子密度分布。该系统采用外差式连续波扫频调制技术(VCO),由外部任意波电压控制,工作频率为33~50GHz,全波段扫频周期达到6μs。在台面标定中发展了VCO 源的动态标定技术,并解决了微波源及器件的非线性响应、波导的色散特性等因素造成差频频率动态范围过大的问题,使反射面固定时系统输出的差频为定频信号,有利于降低噪声干扰和数据处理。同时发展了直接相位处理技术,实现快速的电子密度分布反演。实验中用该微波反射系统测得了L 模、H 模等不同等离子体放电条件下的电子密度分布,观测ELM 爆发前后台基区的形成与垮塌过程。