HL-2A装置超声分子束注入初步结果

HL-2A装置是我国第一个带偏滤器的托卡马克装置，于2002年投入运行。该装置的主要参数为：R=1．65m，n=0．4m，BT=2．8T，Ip=0．48MA，带有上、下对称的封闭式偏滤器。目前，HL-2A装置运行下单零偏滤器，为下一步改进偏滤器位形进行基础性研究。带有液氮冷阱的超声分子束注入系统首次安装并运行于2004年。初步实验结果是，多脉冲分子束注入用于封闭式偏滤器功能的演示和检验；多脉冲分子束注入HL-2A等离子体引起冷脉冲和密度扰动向中心传播。     

HL-2A托卡马克超声分子束注入深度和加料效果研究

超声分子束注入深度与加料效率是分子束加料研究中的基本课题.在近期开展的超声分子束注入实验中，发现分子束注入深度与等离子体电子温度和密度、分子束源的气压和温度有直接关系，获得了分子束注入深度的定标律.在低温气体源(液氮冷却)的分子束注入实验中，发现分子束流中形成了团簇，其注入深度超过30 cm，分析了在低温气源分子束注入实验中的团簇现象. 关键词： 超声分子束注入 注入深度 加料效率 团簇     

HL-2A装置上超声分子束注入触发L-H转换的实验研究

利用具有定向速度的超声分子束注入技术,研究了HL-2A装置在较低加热功率条件下实现L-H转换的等离子体放电特征,从边缘密度分布的差异比较分析了普通送气和超声分子束注入对L-H转换的影响.实验结果表明,HL-2A装置上采用超声分子束注入可直接触发L-H转换,明显降低L-H转换功率.通过对大量实验数据的分析和整理发现,利用超声分子束注入实现L-H转换的最低加热功率,比同等条件下采用普通送气实现L-H转换的最低加热功率减少约10％.     

超声分子束注入密度和宽度对托克马克装置加料深度的影响

基于HL-2A托卡马克装置的真实磁场位形,应用大型边缘等离子体湍流模拟程序BOUT++中的子程序模块trans-neut对不同的超声分子束注入(SMBI)密度和宽度进行模拟.在SMBI过程中,保持单位时间内分子注入个数和注入速度恒定,在恒定通量情况下,通过调整注入分子束密度和宽度来研究SMBI注入深度的变化.研究结果表明:在注入密度较小、注入宽度较大时,SMBI的注入深度更深,分子和原子的分解率和电离率的时空区域较宽.分子分解局域化会抑制全局分解率的增长,而分解局域化又会引发局域分解率的加速增长,进而促进全局分解率的增长,促进效果占优导致在注入速度一定的情况下,恒定通量的分子注入发散角越小,分子注入深度越浅.     

HL-2A装置偏滤器位形超声分子束注入深度观测

用22道Hα辐射测量阵列观测了HL-2A装置偏滤器位形超声分子束的注入过程。观测结果表明：在HL-2A装置偏滤器位形下,当分子束注入气源压强大于1MPa时,Hα辐射沿径向分布存在两个峰值,其第二个Ha辐射峰值位于r/a~0.8附近,表明大部分氢粒子在等离子体边缘(SOL区域)即被离解或电离,但仍有部分氢粒子沉积在分界面内5cm。     

HL-1M装置高气压超声分子束加料效果

超声分子束注入作为一种新的托卡马克加料方法,已成功地开发和应用于环流器新一号(HL1M)和超导托卡马克HT7.近期开展的高气压超声分子束注入实验,在束流中发现了团簇流,其注入等离子体深度超过17cm.电子密度上升率接近于小型冰弹丸加料.多脉冲超声分子束注入形成电子密度阶梯形上升,类似于多弹丸加料效果,电子温度剖面呈中空分布.描述了在HL1M装置同一次欧姆放电等离子体中超声分子束与冰弹丸加料效果的实验比较. 关键词： 超声分子束 托卡马克 团簇 加料     

低温与室温氢团簇流注入HL-2A装置加料效果比较

HL-2A装置超声分子束注入系统和带有低温冷阱的分子束阀门结构如图1所示。用于产生氢团簇的阀门是由美国通用阀门公司的产品（General valve series99），该阀门的喷嘴直径为0．2mm，阀门出口至边缘等离子体的距离为1．28m，低温冷阱灌人液氮冷却阀体和工作气体。本实验氢团簇是在气体射流基础上建立的，一定压力的真实气体通过小孔进入真空室绝热膨胀，导致运动气体显著冷却，原子或分子之间的相互作用力在低温状态下变弱，一个可能的结果是形成团簇。团簇的形成主要决定于气体的温度和压力，还有喷嘴的形状和尺寸，范得瓦尔斯力或原子键的强度等。目前尚无严格的理论预言团簇如何由气体射流自由膨胀而成。但是，还是有一个经验定标的参数T，称为哈竞那（Hagena）参数，用于描述团簇的形成。     

HL-1M装置超声分子束流注入过程中的团簇现象

在ＨＬ－１Ｍ装置上最近改进后的超声分子束流加料实验中,发现边缘等离子体的Ｈａ线辐射信号沿大环方向同有序变化。在超声分子束注入口附近区域,Ｈａ信号为长方形正脉冲,类似于分子束注入脉冲,而在远离注入口区域的边缘Ｈａ信号为负尖脉冲。在注入口附近区域,用静电探针测得的径向电子温度和密度在超声分子束注入期间分别下降和上升了一个数量级。ＣＣＤ相机拍摄分子束与等离子体相互作用产生的Ｈａ线辐射强度分布等实验结果表     

The first results of divertor discharge and supersonic molecular beam injection on the HL-2A tokamak

HL-2A tokamak is the first tokamak with divertors in China. The plasma boundary and the position of the striking point on the target plates of the HL-2A closed divertor were simulated by the current filament code and they were in agreement with the diagnostic results in the divertor. Supersonic molecular beam injection (SMBI) system was first installed and tested on the HL-2A tokamak in 2004. In the present experiment low pressure SMBI fuelling on the HL-2A closed divertor was carried out. The experimental results indicate that the divertor was operated in the `linear regime' and during the period of SMB pulse injection into the HL-2A plasma the power density convected at the target plate surfaces was 0.4 times of that before or after the beam injection. It is a useful fuelling method for decreasing the heat load on the neutralizer plates of the divertor.     

Simulations of fast component and slow component of SMBI on HL-2A tokamak

It is very important to improve the penetration depth and fueling efficiency of supersonic molecular beam injection(SMBI) especially for the next generation fusion devices such as ITER. Two components, a fast component(FC) and a slow component(SC), have been observed in the HL-2A SMBI experiments for several years, and the FC can penetrate much more deeply than the common SMBIs which draws a great deal of attention for a better fueling method. It is the first time to the FC and SC of SMBI have been simulated and interpreted in theory and simulation in this paper with the trans-neut module of the BOUT++ code. The simulation results of the FC and SC are clear and distinguishable in the same way as the observation in experiment. For the major mechanism of the FC and SC, it is found that although the difference in the injection velocity has some effect on the penetration depth difference between the FC and SC, it is mainly caused by the self-blocking effect of the first ionized SMB. We also discuss the influence of the initial plasma density on the FC and SC,and the variation of the SC penetration depth with its injection velocity.     

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通过中平面活动10探针组、往复快速扫描4探针和低杂波天线口的固定4探针测量了主等离子体边缘的温度、密度、悬浮电位、径向和极向电场、雷诺协强、径向和极向等离子体流速及其径向分布。用偏滤器靶板上的14组嵌入式静电3探针阵列测量了同一环向截面的内外中性化板上的电子温度、密度、悬浮电位及其分布。比较了在孔栏位形和偏滤器位形下边缘等离子体特性的差异,特别是两种位形下边缘温度和密度衰减长度的变化。分析了在多脉冲超声分子束加料和低杂波注入条件下的边界等离子体特性,以及雷诺协强的径向梯度与极向流和径向电场梯度与湍流损失的相互关系。     

Simulations of the effects of density and temperature profile on SMBI penetration depth based on the HL-2A tokamak configuration

Using the trans-neut module of the BOUT++ code, we study how the fueling penetration depth of supersonic molecular beam injection(SMBI) is affected by plasma density and temperature profiles. The plasma densities and temperatures in L-mode are initialized to be a set of linear profiles with different core plasma densities and temperatures. The plasma profiles are relaxed to a set of steady states with different core plasma densities or temperatures. For a fixed gradient, the steady profiles are characterized by the core plasma density and temperature. The SMBI is investigated based on the final steady profiles with different core plasma densities or temperatures. The simulated results suggest that the SMB injection will be blocked by dense core plasma and high-temperature plasma. Once the core plasma density is set to be N_(i0)= 1.4N_0(N_0= 1 × 10~(19)m~(-3)) it produces a deeper penetration depth. When N_(i0) is increased from 1.4N_0 to 3.9N_0 at intervals of 0.8N_0, keeping a constant core temperature of T_(e0)= 725 eV at the radial position of ψ = 0.65, the penetration depth gradually decreases. Meanwhile, when the density is fixed at N_(i0)= 1.4N_0 and the core plasma temperature T_(e0) is set to 365 eV,the penetration depth increases. The penetration depth decreases as T_(e0) is increased from 365 eV to 2759 eV. Sufficiently large N_(i0) or T_(e0) causes most of the injected molecules to stay in the scrape-off-layer(SOL) region, lowering the fueling efficiency.     

HL-2M装置中性束离子源束光学红外成像实验研究

为了研究HL-2M装置中性束注入(NBI)加热用的80kV/45A/5s热阴极离子源束光学特性，采用红外电荷耦合元件(CCD)成像技术，测量离子源引出粒子束轰击量热靶板产生的温度分布，得到束功率密度空间分布区间特征参数1/e半宽度。在NBI热阴极离子源调试平台上，扫描离子源的放电和引出参数，利用CCD红外热像仪获得了对应参数下量热靶上的束功率密度分布。实验结果表明，HL-2M装置NBI加热系统80kV/45A离子源可用的导流系数范围为0.7~1.5μP。同样导流系数下，梯度电极与等离子体电极的分压比较高时，引出束流的半宽度较小。     

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用中平面往复快速扫描6探针组观测HL-2A装置边缘等离子体的扰动特性。在一次放电中能测量到边缘等离子体参数的时空分布及其涨落量，雷诺胁强与极向流和带状流的关系，以及静电涨落驱动的粒子通量和热通量的径向变化。在多发弹丸注入(MPI)和多脉冲超声分子束注入(SMBI)条件下，研究了边缘参数的涨落和相关特性。实验结果表明：SMBI和MPI等注入手段改变了边缘的扰动特性；雷诺胁强的径向梯度可以驱动带状流，抑制湍流输运。