托卡马克实验与工程——HL-2A装置偏滤器物理分析和实验的初步结果

偏滤器等离子体物理分析主要是确定靶板上的温度和密度、功率分散、内外非对称性，以及杂质和中性粒子的控制能力等等。上述参数可以随放电密度和加热功率的变化而划分为3个不同的状态，即线性状态、高再循环状态和脱离状态。描述偏滤器性能的主要参数是温度、密度和功率的衰减长度(λr，λn,λp)，以及聚变产物排除装置的时间。     

托卡马克边界等离子体数值模拟

本文用数值模拟法，通过数值求解二维多流体等离子体输运方程。来模拟托卡马克边界等离子体输运过程和输运特性。模拟计算的结果，对托卡马克偏滤器和第一壁的设计有重要意义。     

偏滤器运行模式对托卡马克边缘区等离子体平行流的影响

我们使用一维流体模型,根据在不同偏滤器运行模式下静压强沿着磁力线方向的分布变化,讨论了偏滤器运行模式对托卡马克边缘区等离子体平行流的影响.低再循环模式下,静压强从X点 (X-point)附近的刮削层区域开始明显下降,变化趋势与密度变化趋势一致;等离子体平行流的马赫数在偏滤器区域逐步变大,变化从平缓到迅速.高再循环模式下,静压强在靶板附近的区域迅速下降,在其他区域变化非常小;等离子体平行流的马赫数仅在靠近靶板附近的区域迅速变大,在其他区域变化平缓.在弱脱靶模式下的静压强变化与高再循环模式下类似,不过静压强在X-point附近的刮削层区域开始出现下降的趋势,导致等离子体平行流的马赫数在X-point处的值比在高再循环模式下大.强脱靶模式下,静压强在刮削层区域开始明显下降,在远离靶板的偏滤器区域,静压强迅速下降的地方,观察到高马赫数等离子体平行流.静压强迅速下降引起动压强迅速上升来维持总的压强守恒是在强脱靶状态 下产生高马赫数平行流的一种可能驱动机理.     

FEB-E脱靶等离子体偏滤器的数值模拟

为了提高ＦＥＢ－Ｅ偏滤器的杂质控制和增加ＦＥＢ－Ｅ偏滤器处离子与中性气体的相互作用,用喷 气和杂质注入的方法设计了动态气全靶偏滤器。高约束Ｈ模拟态下的脱靶等离子体沿删削层（ＳＯＬ）磁力线有大的辐射功率份额（５０％￣８０％）和大的等离子体压力下降（９０％）。偏滤器上等离子体压降系数用ＳＯＬ的两点输运模型和辐射模型估算。结果显示,压降系数不仅与辐射功率份额有关,而且与ＳＯＬ驻点密度紧密相连。     

托卡马克删削层与偏滤器中等离子体输运的解析研究

研究了托卡马克删削层和部分偏滤器等离子体的输运问题.利用粒子数守恒和“两点模型”,计算了在有摩擦的情况下,删削层中等离子体的密度分布、温度分布和杂质辐射的功率损失 关键词： 偏滤器区域 删削层 等离子体输运     

FEB偏滤器等离子体温度及靶板运行温度的优化

本文以石墨偏滤器靶板材料为例，用喷气或杂质注入对偏滤器靶板前等离子体温度进行控制，要刻薄虎器等离子体的各种变标关系及石墨靶板被腐蚀的程度、优化了ＦＥＢ偏滤器靶板前等离子体温度和靶板运行温度。     

EAST辐射偏滤器充气系统改造及初步实验结果

介绍了EAST偏滤器充气系统的改进措施,压电阀与冷屏一起安装在EAST颈管中,以缩短充气管道,将充气系统的延迟时间减少约200ms。冷屏起冷却阀门并屏蔽电磁场的作用。讨论了在准稳态条件下,延迟时间给偏滤器热流反馈控制带来的负面效应。在中性束加热条件下,通过在外靶板注入Ar/D2(1:4)混合气体研究了靶板离子饱和流和热流分布的变化及充气对主等离子体的影响,得到了靶板离子饱和流显著降低、热流减少的结果。     

HL-2A单零偏滤器的位形特征

利用积分方法对多种电流剖面下HL2A装置单零偏滤器位形特征进行了计算研究。积分方法的优点是可以在任意电流剖面下求解具有X-点的自由边界的Grad-Shafranov方程。对HL2A装置而言,大体上可以在合理设定的分界面形状下,经几次叠代计算出各组极向场线圈(垂直场,三对多极场和多极补偿场以及水平场)中的电流。HL-2A的单零偏滤器位形基本上是圆截面加上在X-点附近的局部形变。对刮离区和偏滤器靶板区磁力线特性进行了分析以确定偏滤器的品质。     

偏滤器等离子体中杂质对钨壁材料的侵蚀模拟研究

偏滤器是托卡马克中与等离子体直接接触的部件,为了保证装置的寿命,需要尽可能地减小等离子体对偏滤器靶板的侵蚀.本文用粒子模拟的方法研究了不同等离子体温度情况下碳和铍两种杂质离子对钨偏滤器侵蚀速率的影响.模拟首先得到稳定的鞘层结构、入射到靶板的离子流和能流密度,并通过统计获得了入射离子的能量和角度分布,最终根据这些物理参量,采用经验公式计算出钨靶板的侵蚀速率.研究表明,在等离子体温度不太高的情况下,钨靶板的热侵蚀几乎不起作用,而由于杂质离子对钨的物理溅射阈值较低,并且会通过鞘层加速获得能量,因此其对钨壁材料的物理溅射是导致靶板侵蚀的主要原因,另外靶板材料的侵蚀速率随着等离子体温度升高以及杂质含量增大而急剧增大.     

基于激光驱动等离子体X光源的X射线相衬成像

为了诊断惯性约束聚变（ICF）内爆靶丸球壳的多层信息,在神光Ⅱ激光器上对激光驱动等离子体X光源的相衬成像进行了研究。利用神光Ⅱ第9路激光驱动平面Ti靶获得X光源,在10 μm的针孔约束下作为次级点光源对样品成像,用X光胶片记录。成功地将相衬成像技术应用于ICF实验,综合考虑成像放大倍数、分辨力、成像衬度和抑制烧蚀碎片等因素,选择合适的实验条件,成功获得了清晰的双层内爆靶丸球壳结构,空间分辨力优于10 μm。     

基于狭缝扫描的表面等离子体共振成像

利用表面等离子体共振技术进行电介质样品成像研究.采用高数值孔径显微物镜作为耦合元件,632.8nm He-Ne激光会聚激发金膜产生表面等离子体共振,通过狭缝光阑限制光束入射角,对金膜上的氮化硅光栅进行成像.反射光由放置在样品像方共轭面上的CCD摄像机接收,获得样品的表面等离子体共振像.通过扫描移动狭缝,得到入射角从44°至54°的扫描样品图像,从图像中提取样品各点的表面等离子体共振曲线,由计算机重构出样品的表面等离子体共振角谱灰度图.     

基于激光驱动等离子体X光源的X射线相衬成像

为了诊断惯性约束聚变(ICF)内爆靶丸球壳的多层信息,在神光Ⅱ激光器上对激光驱动等离子体X光源的相衬成像进行了研究。利用神光Ⅱ第9路激光驱动平面Ti靶获得X光源,在10μm的针孔约束下作为次级点光源对样品成像,用X光胶片记录。成功地将相衬成像技术应用于ICF实验,综合考虑成像放大倍数、分辨力、成像衬度和抑制烧蚀碎片等因素,选择合适的实验条件,成功获得了清晰的双层内爆靶丸球壳结构,空间分辨力优于10μm。     

地球等离子体模式及遥感成像技术

地球等离子体层的分布主要受到地球磁层的特性影响。早期对地球磁层的研究,主要是通过采集地磁平静期的观测数据,建立半经验模型和经验模型来研究。随着成像技术的发展,可以通过遥感成像的方式,在全球尺度下获得磁扰期、平静期等不同时刻的地球等离子层分布信息,从而更直观、全面地了解磁层磁场的变化。本文研究了现有的地球等离子体层模型,详细阐述了不同地球等离子层模型的描述形式、应用特性,以及地球等离子体层遥感成像观测的方法和手段。最后,通过计算机模拟了在经验地球等离子层模型输入情况下,极轨道卫星对地球等离子体层分布的成像结果。     

HL-2A装置等离子体可见光成像系统

在HL-2A装置上研制了等离子体可见光成像系统,用于孔栏、偏滤器位形放电的诊断。该成像系统由彩色摄像机、观察窗和转向镜、广角收集和准直透镜组、采集卡和计算机组成。本文描述了系统的布局和各部件参数的匹配,报道了观测到的实验结果。等离子体成像系统能监视放电的整个过程,实时显示可见光辐射图形,特别在识别孔栏与偏滤器位形放电的诊断中发挥了重要作用,成为HL-2A装置放电的重要诊断手段。     

HL-2A托卡马克实验进展和科学创新

中国环流器二号A(HL-2A)托卡马克是中国第一个带偏滤器的大型受控核聚变研究装置.文章综述了在HL-2A托卡马克装置上的重要实验结果.自从HL-2A装置建成以来,有以下3个重要进展:实现了等离子体偏滤器位形放电;等离子体电子温度达到5500万度;实现了具有边缘局域模的高约束(H模)放电.随着HL-2A装置辅助加热能力和先进等离子体诊断等系统的发展,该装置在聚变等离子体物理的若干领域做出了以下创新性的贡献:实验验证了对聚变等离子体输运有重要影响的带状流的三维结构;进一步发展了原创的分子束加料技术,并且成功地应用于等离子体输运研究;用低频调制的电子回旋共振加热(ECRH)对撕裂模进行了有效的抑制,并使约束得到改善;观测到高能电子激发的内部扭曲模和阿尔芬模等新的物理现象.文章还简要介绍了该装置的发展计划及近期要开展的物理实验研究内容.     

HL-2A偏滤器位形的边缘等离子体特性

本实验利用主真空率和偏滤器靶板上的静电探针阵列直接测量边缘和偏滤器室的等离子体参数，即边缘温度Tea，密度nea，悬浮电位Фf，径向电场Er及其梯度dEr／dr，极向电场Ep，径向流速vr，极向流速vp.     

HL-2A装置等离子体可见光成像系统

为了配合HL-2A装置的工程联调和首次等离子体放电，需要一种可靠和直观的诊断手段，以确认产生了所谓的“First plasma”(初始等离子体)放电。为此我们研制了一套新的诊断系统，即等离子体可见光成像。等离子体成像是近年来发展起来的一项先进诊断手段。目前在托卡马克装置上广泛采用。     

HL-2A装置偏滤器物理分析及其实验的初步证实

采用偏滤器物理分析的“两点”模型,分别计算了HL-2A装置线性状态和高再循环状态的边缘等离子体参数,包括偏滤器靶板的等离子体温度、密度和入射功率,以及上游等离子体温度、密度和平行功率密度的衰减长度。用该模型对线性状态预计的靶板温度和密度与实验结果进行了比较,结果符合较好。     

HL-2A装置偏滤器室中性气体压强规的研制

HL-2A装置是我国第一个带偏滤器的托卡马克装置，偏滤器运行是一个新课题。在偏滤器研究中，偏滤器室中性气体压强的诊断与控制具有重要意义。为此，我们研制了可工作在强磁场下的快响应电离规(简称：快规)和配套真空计，对HL-2A装置偏滤器室的中性气体压强进行了测量。