HL-2A等离子体边缘的快速单探针测量

介绍了对HL-2A装置中平面边缘等离子体的单探针测量。单探针是安装在可径向移动、并可绕轴旋 转360o的传动杆上的。在1MHz的快速采样频率下,测量了主等离子体边缘的温度、密度、悬浮电位、空间电位、极 向等离子体流速的径向分布。测量的结果表明,利用单探针测量的主等离子体边缘参数与朗缪尔四探针测量结果 基本一致。     

HL-2A装置边缘等离子体的实验观测

HL-2A装置边缘等离子体在中平面的特性是通过可移动的探针组、快速扫描气动4探针和LHW天线边缘的固定4探针进行研究的。用于测量主等离子体边缘的温度、密度、悬浮电位、空间电位、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。偏滤器靶板上的14组嵌入式静电3探针阵列用于测量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。     

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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。     

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 装置的边缘参数测量

HL-2A 装置中平面边缘的等离子体特性通过磁力传动的马赫/ 雷诺协强/ 朗缪尔10 探针组进行了研究。10 探针组安装在可径向向里和向外移动, 并可绕轴旋转360^o 的传动杆上, 用于测量主等离子体边缘的温度、密度、悬浮电位、空间电位、径向和极向电场、湍流的雷诺协强、径向和极向等离子体流速及其径向分布。HL- 2A 装置的实验结果表明, 边缘等离子体扰动诱发的雷诺协强产生了边缘极向流; 雷诺协强的径向梯度驱动带状流抑制了湍流输运。     

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装置快速扫描气动探针的研制和运用

快速扫描气动探针已在HL- 2A 装置上用于对边缘等离子体参数的径向分布的测量, 特别是刮离层等离子体参数的特征长度和扰动的测量。该系统采用精密的气动气缸驱动带有探针组件的长驱动杆, 其最快速度可在60 ms 时间内水平扫描8 cm 的距离。探针信号测量具有1MHz 的快速时间响应和0. 04 mm 的空间分辨率。可靠地测量了HL- 2A 装置边缘电子温度和密度的时空分布。     

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在一次稳定放电过程中利用快速扫描气动探针系统得到电子温度、密度、等离子体电位、极向电场以及它们的涨落、粒子通量、能量通量在径向的分布。研究了HL-2A装置边缘的静电涨落及其输运。实验结果指出,在等离子体边缘涨落量不服从玻耳兹曼关系,存在由于等离子体空间电位的梯度所产生的径向电场剪切层。分析了涨落对边缘约束的影响。     

HL—1M装置边缘等离子体特性研究

边缘和芯部等离子体的同时控制对优化托卡马克等离子体性能是重要的。边缘等离子体密度、温度和空间电位等通常采用朗缪尔静电探针测量,而旋转速度可用马赫探针测量。好的加料技术对于获得高性能等离子 体也很重要。在HL－1M装置上已开展了8发弹丸注入和分子束注入（MBI）加料实验,它能使等离子体产生中空的温度和电流密度分布,并容易获得高密度和良好的约束。本文主要介绍在低杂波电流驱动（LHCD）、多发弹丸注入和MBI三种典型放电中边缘等离子体参数的测量结果。     

MM-4中电位和分布实验

本文描述了用静电探针测量探针悬浮电位的方法,给出了MM-4电位分布的实验结果。结果表明,轴向电位分布不对称;在等离子体中沿轴向和径向存在双离子位阱。在离子能谱测量中观察到双离子温度。产生这样电位分布的机制,归于会切系统中的斯托沫区和电子枪的不同工作方式。测量的等离子体电位为-200——300V。     

碰撞等离子体中电中性条件对单探针测量的约束

在碰撞等离子体中使用单探针测量系统测得的伏安特性曲线会发生畸变. 实验中分别测量了非碰撞条件下(20 Pa)和碰撞条件下(400 Pa)氩气(Ar)电感耦合等离子体的单探针伏安特性曲线, 并进一步通过在400 Pa下测量不同位置处的单探针伏安特性曲线和引入干扰电极调节整体电中性约束的程度的方法来分析研究曲线的畸变现象. 结果表明碰撞等离子体中整体电中性约束条件会对非碰撞探针测量系统进行约束, 并通过理论分析和实验证明:在单探针测量过程中, 以真空室壁为电位参考点, 等离子体将通过改变自身等离子体电位来满足整体电中性的要求, 此时, 单探针测得的伏安特性曲线就不是理论上的单探针的鞘层伏安特性.     

Characteristic behaviour of plasma fluctuations inside a plasma bubble in presence of a magnetic field due to the formation of a potential well

Experiments were carried out to observe the effect of a magnetic field and grid biasing voltage in presence of a plasma bubble in a magnetized, filamentary discharge plasma system. A spherical mesh grid of 80% optical transparency was negatively biased and introduced into the plasma for creating a plasma bubble. Diagnostics via an electrical Langmuir probe and a hot emissive probe were extensively used for scanning the plasma bubble. Plasma floating potential fluctuations were measured at three different positions of the plasma bubble. The instability in the pattern showed the dynamic transition from periodic to chaotic for increasing magnetic fields. Time scale analysis using continuous wavelet transform was carried out to identify the presence of non‐linearity from the contour plots. The mechanisms of the low‐frequency instabilities along with the transition to chaos could be qualitatively explained. Non‐linear techniques such as fast Fourier transform, phase space plot, and recurrence plot were used to explore the dynamics of the system appearing during plasma fluctuations. In order to demonstrate the observed chaotic phenomena in this study, characteristics of chaos such as the Lyapunov exponent were obtained from experimental time series data. The experimentally observed potential structure is confirmed with numerical analysis based on fluid hydrodynamics.     

脉冲射频容性耦合氩等离子体的发射探针诊断

利用工作在浮点模式下的发射探针,对500 Hz脉冲调制的27.12 MHz容性耦合氩气等离子体的空间电位和电子温度的时变特性进行了诊断.等离子体空间电位是通过测量强热状态下的发射探针电位获得的,而电子温度则是由发射探针在冷、热状态下的电位差来估算得到.测量结果表明:脉冲开启时,空间电位会快速上升并在300μs内趋于饱和;当脉冲关断后,空间电位经历了快速下降后趋于稳定的过程.电子温度在脉冲开启时存在过冲并趋于稳定的特征;而在脉冲关断期间,电子温度在300μs内则快速下降到0.45 e V后略有上升.无论在脉冲开启或关断期间,空间电位基本上都随功率和气压的变化存在有线性的依赖关系;而放电功率对脉冲开启期间过冲电子温度与稳态电子温度差异的影响较大.针对空间电位和电子温度在各阶段及不同放电条件下的时变特性,给出了相应的解释.     

甚高频激发的容性耦合Ar+O_2等离子体电负特性研究

利用探针辅助的脉冲激光诱导负离子剥离诊断技术对掺入5%O_2的容性耦合Ar等离子体电负特性进行了诊断研究.首先详细解析了脉冲激光剥离后探针的电信号,分析了探针偏压在低于或高于空间电位下的探针收集信号特征;根据探针偏压与探针收集信号之间的依赖关系,用来描述Ar+O_2等离子体电负特性的等离子体电负度被定义为脉冲激光剥离出的电子电流与偏压高于空间电位的探针收集到的背景电子电流的饱和比值,并对等离子体电负度随放电气压、射频功率以及轴向位置的变化进行了诊断测量.实验结果表明等离子体的电负度随着射频功率的增加而减小、随着放电气压的上升而变大;由于非对称电极的分布特性,在轴向方向上靠近功率电极时等离子体电负度有升高的趋势,这种趋势可能与鞘层边界附近二次电子的动力学行为以及负离子的产生与消失过程有关.     

容性耦合电负性氧等离子体的激光诱导光致剥离技术诊断研究

采用波长532nm的高能脉冲激光束照射40.68MHz激发的容性耦合氧等离子体,并给处于激光束中央的探针施加一定的正偏压,由此诊断氧等离子体的空间电位和电负度。实验结果表明,探针偏压从0V逐渐增加时,探针搜集的电流波形从V型向倒U型转变,转变电压点正是电负性等离子体的空间电位。尝试着给出了运用激光诱导光致剥离技术诊断电负性等离子体空间电位的经验方法。另外,探针上施加的正偏压高于等离子体空间电位时,等离子体的电负度基本保持不变。实验还表明,氧等离子体的电负度随着射频输入功率的增加而呈现下降的趋势。     

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采用波长532nm的高能脉冲激光束照射40.68MHz激发的容性耦合氧等离子体,并给处于激光束中央的探针施加一定的正偏压,由此诊断氧等离子体的空间电位和电负度.实验结果表明,探针偏压从0V逐渐增加时,探针搜集的电流波形从V型向倒U型转变,转变电压点正是电负性等离子体的空间电位.尝试着给出了运用激光诱导光致剥离技术诊断电负性等离子体空间电位的经验方法.另外,探针上施加的正偏压高于等离子体空间电位时,等离子体的电负度基本保持不变.实验还表明,氧等离子体的电负度随着射频输入功率的增加而呈现下降的趋势.     

Sheath motion in a capacitively coupled radio frequency discharge

The sheath motion in a capacitively coupled RF discharge is highly nonlinear. The voltage waveform on a cylindrical probe placed in the sheath region is measured as a function of position and time. A circuit model of the probe-discharge system relates the observed probe voltage to the sheath motion. The equations derived from this circuit model are solved numerically with varying nonlinear sheath motions; the resulting waveforms are compared with the experimental observations to determine the actual sheath motion. The time-varying plasma potential is also determined, indirectly, from the comparison. The authors also report observation of oscillations related to the plasma frequency, whose peak harmonic component can be calculated from a single plasma model. These oscillations can be a useful plasma diagnostic for determining plasma density. The presence of these high-frequency oscillations may significantly enhance the rate of stochastic heating of electrons     

Performance of a Feedback Controlled Electrostatic Energy Analyzer for Use with an Ion Beam Probe Diagnostic System

The performance of a feedback controlled electrostatic energy analyzer has been investigated for use as the basic detection mechanism in an ion beam probe plasma diagnostic system. This system provides the only direct, spatially resolved measurement of plasma space potential. The principles involved in analyzer operation are presented, leading to an analyzer system with a design entrance angle of 33°. The voltage correction function which results when the probing beam is swept across the plasma has been measured experimentally and is in excellent agreement with theoretical predictions. The measured amplitude and phase response of the system show that the entire analyzer/detector system may be modeled as a linear feedback system. Finally, a dual beam technique is described for making absolute space potential measuremermts and is substantiated with experimental data from an arc plasma using a Rb-K combination.