HL-2A装置偏滤器室中性气体压强的初步研究

HL-2A装置上首次实现了偏滤器位形放电。采用专门研制的可在强磁场和强噪声环境下工作的快响应真空电离规对偏滤器室内的中性气体压强进行了测量,给出了HL-2A装置偏滤器有关结构的基础数据。初步研究了偏滤器位形和孔栏位形放电期间偏滤器室中性气体压强的特性。     

HL-2A装置偏滤器室中性气体压强的研究

采用自行研制的可工作在强磁场下的快响应电离规(简称：快规)对HL-2A装置偏滤器室的中性气体压强进行了测量和研究。     

HL-2A偏滤器运行模式的探针测量

在HL-2A装置的偏滤器位形运行模式下,用偏滤器靶板上的平面型嵌入式静电探针阵列测量了同一环截面的内外和上下四个中性化板上的电子温度、密度、悬浮电位分布。偏滤器运行模式下的边缘电子温度高于孔栏运行模式下的边缘的电子温度。比较了内外靶板之间的温度不对称性。给出了由18个米尔诺夫线圈信号重建获得的磁分界面,并用强磁场快速电离规测量了偏滤器室的中性气体压强变化。测量结果表明,在偏滤器运行模式下,主真空室中边缘粒子再循环降低,杂质通量水平下降。     

用于强磁场的快响应真空规的研制进展

研制了能在强磁场、强干扰环境下工作的快响应真空电离规(快规),用于对HL 2A装置偏滤器室和等离子体附近的中性粒子密度和通量进行原位测量。介绍了快规的结构、工作原理、设计要点以及实验结果。在无磁场的情况下,快规对气体压强的测量范围为6.4×10-6～0.15Pa,在1×10-5～0.15Pa范围内,快规收集极离子流与发射电子流之比与气压保持良好线性关系;在0 15T的磁场下,快规的规管常数未发生显著变化,在规管对称轴与磁力线的夹角小于15o时,规管常数的变化小于10%。     

HL-2A偏压偏滤器物理设计

根据已有的理论模型,推算出了HL-2A偏压偏滤器的理论电流为1．5kA、偏压电压为200V,并对HL-2A偏压偏滤器做出了初步设计。HL-2A装置采用偏压后,有可能降低L-H模转变阈功率,增加偏滤器等离子体密度、压强和滞留时间,改善约束,改善内外靶板功率沉积的非对称性,提高排灰效率及提高偏滤器性能。     

HL-2A装置初始运行阶段杂质和辐射行为的初步研究

作为国内第一个带有偏滤器的托卡马克装置，在HL-2A装置的起始运行阶段，了解等离子体中存在的杂质种类和辐射水平、评估杂质的含量以及在偏滤器位形和孔栏位形下杂质辐射行为的变化都是很重要的。在HL-2A装置的初始运行阶段，壁处理主要是采用常规的辉光放电清洗（GDC）；在偏滤器运行阶段也使用过蒸钛来减少下偏滤器室的杂质以利于偏滤器位形的建立；但未使用硅化等可能破坏初始器壁条件的壁处理手段。     

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装置送气和加料的脱靶特性

HL-2A装置辐射偏滤器实验采用边缘补充送气和分子束加料等方法来提高主等离子体密度,降低边缘等离子体温度、增加辐射功率分额,获得脱靶等离子体。偏滤器室内进行主动补充送气或者注入惰性气体杂质,降低偏滤器等离子体温度,获得脱靶等离子体,并首次获得了超声分子束注入产生脱靶等离子体的实验结果。利用HL-2A装置偏滤器同一极向截面内外中性化板上安装的嵌入式探针阵列和偏滤器室安装的电动探针系统,测量了偏滤器靶板上和偏滤器室的等离子体参数及其分布,并进行了相关分析和改善约束以及偏滤器脱靶等离子体运行模式下等离子体行为的研究。     

HL-2A 装置偏滤器改造的初步设计

根据HL- 2A 装置的结构特点, 提出了HL- 2A 装置偏滤器系统改造的基本方向。对HL- 2A 极向场线圈系统进行了优化设计, 计算了单零平衡位形, 进行了开放式偏滤器的结构设计, 并对新的偏滤器系统进行了热分析和结构分析。结果表明, 新的偏滤器系统新的偏滤器系统能够满足具有一定拉长比和三角形变的等离子体放电要求。     

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。     

用B2程序模拟HL-2A装置附着状态等离子体

用大型边缘多流体二维等离子体输运数值模拟程序B2模拟了HL-2A装置外偏滤器以及与之相连的刮削层内的等离子体。在不同的中心密度运行区，纯氢放电的HL-2A偏滤器可以形成不同的再循环运行模式，即线性或高再循环模式。通过控制模拟刮削层与芯部等离子体交界面处的等离子体参数，可实现对HL-2A装置再循环模式的控制。     

HL-2A装置偏滤器的脱靶等离子体实验

在HL-2A装置偏滤器靶板上采用嵌入式静电三探针阵列和偏滤器室内的电动扫描四探针组测量了同一极向截面的内外中性化板上和偏滤器室内的电子温度、密度、悬浮电位、空间电位、电场、电子压强及其分布,研究了偏滤器中等离子体参数的分布及非对称性和脱靶等离子体运行模式下的等离子体行为,开展了偏滤器脱离靶板等离子体的实验研究。利用主真空室的快速往复扫描三台阶式六探针系统测量了主等离子体边缘和偏滤器室内的等离子体温度、密度、粒子通量和中性粒子密度等参数,研究了脱靶等离子体的形成过程、物理特性、控制方法,以及对主等离子体性能的影响。     

HL-2A装置等离子体水平位移控制

HL-2A装置是带封闭偏滤器的磁约束托卡马克实验装置，于2002年底建成并通过国家验收。2003年在各子系统准备充分和等离子体水平位移反馈控制系统投入运行后，实现了首次重复的偏滤器位形等离子体放电实验。     

HL-2A装置偏滤器运行模式的探针测量

HL-2A装置是一个具有偏滤器位形的托卡马克装置，为我们开展先进偏滤器物理实验和改善主等离子体约束性能研究准备了良好的条件。等离子体的杂质含量由杂质源分布以及SOL和芯部等离子体中各种杂质输运过程确定。由于离子碰撞可导致狭窄的偏滤器入口部件处杂质溅射的增强，与起源于靶板处的杂质相比，偏滤器入口处的杂质更有效地污染芯部等离子体。     

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对HL-2A装置限制器位形和偏滤器位形下放电气体分别为氘和氦时的等离子体热辐射测量结果做了初步分析,分析结果表明：在偏滤器室注入惰性气体能够有效的降低到达靶板的热辐射;超声分子束注入时,观测到注入粒子在等离子体中输运过程;氦放电时的辐射比值明显高于氘放电时的比值;真空室器壁的处理能够有效地降低辐射损失,硅化对器壁条件的改善效果明显。     

HL-2A装置改造方案磁流体平衡的数值模拟

对HL-2A装置的改造方案进行数值模拟,获得了放电初始阶段零场区域设计的最佳方案、等离子体限制器平衡位形、单零偏滤器平衡位形和双零偏滤器平衡位形以及从气体击穿到等离子体电流平顶的等离子体平衡位形的演化过程。计算结果表明,该装置设计方案能够满足装置预期的设计参数要求。     

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利用SOLPS和DINA程序,对偏滤器的数值模拟进行综合研究。结合HL-2M装置,针对偏滤器的结构优化、脱靶物理过程、偏滤器送气与抽气、垂直位移事件(VDE)等问题进行了模拟研究。分析了偏滤器靶板位形以及脱靶对偏滤器靶板热载荷的影响,研究了偏滤器的送气位置、送气速率、抽气速率等因素对于偏滤器性能的影响;同时,利用DINA程序对HL-2M装置的VDE过程进行了预测分析,并给出了HL-2M装置发生VDE过程的等离子体电流剖面变化,从而为HL-2M装置的偏滤器结构设计和分析提供输入数据。     

HL-2M偏滤器的综合模拟技术初步研究

利用SOLPS和DINA程序,对偏滤器的数值模拟进行综合研究。结合HL-2M装置,针对偏滤器的结构优化、脱靶物理过程、偏滤器送气与抽气、垂直位移事件(VDE)等问题进行了模拟研究。分析了偏滤器靶板位形以及脱靶对偏滤器靶板热载荷的影响,研究了偏滤器的送气位置、送气速率、抽气速率等因素对于偏滤器性能的影响;同时,利用DINA程序对HL-2M装置的VDE过程进行了预测分析,并给出了HL-2M装置发生VDE过程的等离子体电流剖面变化,从而为HL-2M装置的偏滤器结构设计和分析提供输入数据。     

读取真空检测仪数据程序的实现

真空仪检测程序在2003年度HL-2A装置实验中采用了串行通信的方式来读取并记录中性气体压强，使得工作人员从繁琐的记录中解脱出来。本文介绍真空计与计算机串口进行通讯的方法。图1为系统组成。     

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用HL-2A装置下偏滤器靶板上的14组嵌入式静电三探针阵列和外偏滤器室的电动扫描四探针组,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,以及电子回旋加热(ECRH)实验期间的等离子体行为。研究了偏滤器中等离子体参数的分布及非对称性以及等离子体的形成、物理特性和改善粒子的约束特性。