托卡马克等离子体粒子输运方程的半解析研究

粒子约束和输运特性的研究是磁约束聚变物理研究最基本的和最重要的课题之一。大量实验表明粒子约束好坏不仅直接影响等离子体储能,而直接与总体能量约束时间有关,而且粒子密度的剖面分布与约束模式有内在的联系。这里的粒子除工作粒子（一般指氢、氘）外,也包括杂质。文献（1）对杂质输运方程的一般特性进行了系统研究,本文将该文所述方法推广到工作粒子输运情形。在假定输运算子为线性的基础上,对粒子输运方程进行了基于Green函数表示或广富氏展开的解析研究。但当扩散系数和对流系数均随空间变化时,用于展开的基函数的微分方程特征值问题需由数值方法确定,因此称半解析研究。     

在HT-7托卡马克上密度扫描实验中的边界湍流和输运

在HT-7托卡马克上密度扫描实验中使用一个快速扫描气动朗缪尔探针来研究边界湍流和输运。随着中心弦平均等离子体密度的增加，在等离子体边界观察到径向电场剪切增强，径向电场的增强能够解释边界输运的减小和全局粒子约束的改善。粒子约束时间的增加和垂直扩散系数的减小证明粒子输运降低了。在等离子体边界区域发现电离和辐射驱动湍流的特征，表明电离和辐射在湍流驱动过程中具有重要性。     

HT－6M托卡马克等离子体电子密度分布研究

根据等离子体电子密度诊断原理，建立了七道远红外ＨＣＮ激光干涉仪。用电子密度分布特征参数研究了ＨＴ－６Ｍ托卡马克上的边界欧姆加热（ＥＯＨ）、抽气限制器（ＰｕｍｐｉｎｇＬｉｍｉｔｅｒ）和离子回旋共振加热（ＩＣＲＨ）实验中的密度分布变化规律和约束特性。对于ＨＴ－６Ｍ托卡马克装置欧姆放电，密度分布特征参数ｕ约为１．１～１．３；约束改善的放电模式，ｕ上升到１．８～２．０，电子密度分布展宽；当密度分布特征多数ｕ≤０．９时，密度分布峰化，这是大破裂的先兆。     

HT－6M托卡马克等离子体电子密度分布研究

根据等离子体电子密度诊断原理，建立了七道远红外ＨＣＮ激光干涉仪。用电子密度分布特征参数研究了ＨＴ－６Ｍ托卡马克上的边界欧姆加热（ＥＯＨ）、抽气限制器（ＰｕｍｐｉｎｇＬｉｍｉｔｅｒ）和离子回旋共振加热（ＩＣＲＨ）实验中的密度分布变化规律和约束特性。对于ＨＴ－６Ｍ托卡马克装置欧姆放电，密度分布特征参数ｕ约为１．１～１．３；约束改善的放电模式，ｕ上升到１．８～２．０，电子密度分布展宽；当密度分布特征多数ｕ≤０．９时，密度分布峰化，这是大破裂的先兆。     

弹丸实验中的粒子约束特性分析

多年来，许多托卡马克装置都在进行着氢弹丸和氘弹丸的注入实验研究，其主要目的在于探索用弹丸注入方法对将来聚变反应堆实验再加料的可行性。因为弹丸加料与气体加料相比具有使大部分加料粒子能沉积在等离子体芯部的明显优点。芯部加料可以产生更峰化的密度剖面和更高的聚变反应率，能改善能量和粒子约束特性。在JT－60，Alcator-C以及ASDEX等装置的弹丸实验中，在等离子体中心区域均获得了高度峰化的密度和压强分布，使等离子体的约束性能获得改善。     

HL—1M装置超声分子束流注入过程中的团簇现象

在环流器等离子体中用超声分子束流注入加料,引起密度峰化和约束改善,其主要机制归结为加料粒子的注入深化和密度上升率（注入效率）的提高。本文主要介绍经过改进的超声分子束流注入HL－1M装置等离子体利用边缘Hα线辐射、径向可伸缩的静电探针和顺着束流注入方向的CCD摄像等诊断技术,考察了粒子注入口及注入口附近区域电子温度和密度沿径向分布的变化,研究了分子束粒子注入等离子体的所谓“冷通道模型”及其效应。     

HT-6M托卡马克装置杂质输运

利用多道可见光谱探测系统和近紫外转镜系统测量了HT-6M托卡马克等离子体中杂质的时空分布.建立完备的杂质输运程序，数值模拟碳、氧杂质在欧姆放电时的输运行为，得出了杂质的扩散和对流系数、不同电离态杂质离子密度、辐射功率密度和有效电荷数的空间分布. 分析低混杂波电流驱动（LHCD）期间杂质行为，结果表明等离子体粒子约束、杂质约束和能 量约束提高，辐射功率和有效电荷数减小. 关键词： 托卡马克 杂质输运 扩散系数 对流系数     

HL-1M装置弹丸和分子束加料的粒子输运研究

研究了IL-1M装置上弹丸和分子束加料的粒子输运。在研究粒子输运时拟合了粒子源分布,利用调制送气模型研究了分子束送气时的粒子输运。由弹丸注入后较长时间内密度的自然衰减研究了粒子输运,给出了一种简单的研究弹丸注入后粒子输运的方法。计算表明,分子束和弹丸注入改善了等离子体的粒子输运特性。将计算结果与实验测量进行了比较。     

托卡马克等离子体粒子输运方程的半解析研究

在输运算子为线性算子的条件下,对托卡马克等离子体粒子输运方程的求解进行了系统的分析。粒子输运由向外扩散和向内对流构成。给出了用格林函数表示的普遍解和相应的Ｓｔｕｒｍ－Ｌｉｏｕｖｉｌｌｅ本征函数及本征值,对粒子源处在边界附近（浅加料）的情形,通过解的互补性关系,可以获得品质好的广义傅里叶展开,从解的一般性质看出,在器壁再循环很小时,由第一个本征函数描述的粒子密度剖面对应于较高的峰化因子。对于瞬间内部     

HL—1M弹丸加料等离子体中约束改善和MHD特性研究

在ＭＬ－１Ｍ装置实验中，多发弹丸注入在ｑ＝１磁面内区域产生了高度峰化的密度和压强分布，明显改善了等离子体约束特性。标志着弹丸注入约束改善的峰化的密度、压强分布，在出现第一个大锯齿后平化。弹丸注入后的锯齿崩溃，在密度和压强峰化因子均较高时，具有在更高密度、更高压强下才出现的类理想的特性。随着弹丸穿中 部区域的密度梯度变陆，在中心ＭＨＤ活性受到弹丸注入强烈影响，锯齿崩溃特征从完全重连型变成部分重连型，     

HL-lM装置杂质粒子输运与约束特性

在HL-lM装置上利用激光吹气技术,在等离子体边缘瞬态注入少量Al杂质粒子,通过对真空紫外光谱和软X射线区的杂质辐射测量,分别研究了欧姆等离子体和低杂波电流驱动等离子体两种情况下,Al杂质粒子输运与约束特性。结果表明：在欧姆等离子体和低杂波电流驱动等离子体两种情况下,等离子体中心区,在没有MHD锯齿震荡和有MHD锯齿震荡非锯齿破裂期间,杂质粒子输运基本上受新经典规律支配;在有MHD锯齿震荡锯齿破裂期间,杂质粒子输运受MHD不稳定性支配,但其时间很短(通常小于300μs),所以在这种情况下,杂质粒子输运的平均效应比新经典值稍大。而约束区杂质粒子输运则比新经典的值大很多,是反常的。在一定条件下低混杂波电流驱动可以改善等离子体粒子约束。     

托卡马克超声分子束加料

中国环流器新一号（托卡马克）装置采用新的等离子体加料方法———超声分子束注入．由于粒子注入深化,形成电子密度的峰化和密度极限提高．欧姆加热等离子体的能量约束时间的线性范围增长到ｎｅ＝４×１０１９ｍ－３．实验结果表明,超声分子束注入是一种高效和有利改善约束的气体加料方法．     

用光谱学方法研究不同放电等离子体粒子约束

本文用光谱学方法研究在ＨＬ－１装置上ＬＨＣＤ及ＥＣＲＨ等离子体，弹丸注入等离子体，偏压电极与偏压孔栏等离子体粒子约束特性。结果表明：在弹丸注入使用正向偏压电极与偏压孔栏期间，等离子体粒子约束行到改善，较低密度下（＾ｎｅ＜２．０×１０＾１＾３ｃｍ＾－＾３），ＬＨＣＤ脉冲期间粒子约束得到改善；而当密度＾－ｎｅ大于２．０×１０＾１＾３ｃｍ＾－＾３时，等离子体约束变坏。ＥＣＲＨ脉冲期间粒子约束得不到改善。     

利用渡越辐射研究超热电子输运

自快点火概念提出以来，与快电火概念相关的物理研究已成为激光惯性约束聚变研究的前沿热点问题。对于惯性约束聚快点火方案，超热电子的产生和输运及能量沉积研究是目前最受关注的课题之一。因为超短超强激光产生的超热电子电流很大（有时远远超过Alfven极限），持续时间短，涉及高密度，在输运中伴随着强烈的电场和磁场。再加之Wibel不稳定性的成丝效应，都将严重影响超热电子的输运和能量沉积效率，使得快点火涉及到的超热电子输运和能量沉积的物理过程变得异常复杂。超热电子产生、输运涉及到固体密度等离子，因此高密度区的输运过程实验探测就显得非常重要。     

低杂波控制电流分布与改善约束研究

在HT-7超导托卡马克装置上利用低杂波电流驱动有效地控制了等离子体电流分布,并使等离子体约束性能改善。数值模拟与硬X射线测量结果均表明,低杂波的发射功率谱、纵场和等离子体密度对改变等离子体电流分布有明显的影响。在优化低杂波电流驱动实验参数的条件下,等离子体密度、温度分布发生了理想的变化。在电子和离子温度分布上出现了内部输运垒,同时等离子体的能量约束时间和粒子约束时间均有提高。     

HL—1M多脉冲分子束注入的CCD摄像

HL－1M装置实现了一种新的气体加料改善约束的方法－分子束注入（用多脉冲高速分子束注入加料）。多脉冲分子束注入加料可以控制等离子体密度分布、改善约束性能和提高密度极限。HL－1M托卡马克的多脉冲分子束注入得到了高的加料效率、改进了能量约束并维持了较高的密度峰化截面。分子束加料τE的改善和Qn 值的增加可与HL－１M装置的小弹丸注入和ASDEX的小弹丸注入结果相比拟。脉冲高速分子束是由高压氢分子气体通过拉瓦尔（Laval)喷口形成的。在实验中CCD相机可以用于研究分子束与离子体相互作用的许多复杂物理现象,用它拍摄分子束在等离子体中的辐射云照片是研究分子束辐射过程极其有效的手段。     

等离子体成像的初步诊断结果

HL-2A装置的主要目标是开展高参数条件下改善等离子体约束实验，研究剖面控制和建立先进约束位形。在偏滤器物理方面，研究等离子体粒子与能量控制、边界输运及刮削层物理机制，此外也可以进行二级加热和电流驱动。     

HT-6M装置H模放电的中性粒子研究

HT-6M托卡马克通过边界欧姆加热实现了改善约束的H模，利用中性粒子测量方法成功地研究了等离子体H模放电的中性粒子变化．观察到边界欧姆加热H模放电期间从等离子体逃逸的中性粒子比纯欧姆加热明显减少；约束改善后等离子体中心热区的中性原子密度下降，得到了反映等离子体约束改善的中性粒子特征．实验结果与其他诊断进行了比较和讨论 关键词：     

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用密度调制的方法研究了等离子体中粒子输运问题。采用了注入脉冲式补充送气和超声分子束两种不同的密度调制方法。在HL-2A装置常规欧姆放电的情况下,运用有限差分法和Nagashima矩阵技术,求解了粒子平衡方程。计算出了粒子的输运系数(对流速度v和扩散系数D)。研究了粒子输运系数与等离子体线平均密度之间的关系。实验结果表明,在欧姆放电的情况下,等离子体芯部的粒子对流速度方向始终是向内的,并且密度低时,粒子输运系数(粒子扩散系数D和对流速度v)较大;密度高时,粒子输运系数较小。     

分子束注入期间的冷脉冲传播现象

分子束注入（MBI）是一种新的托卡马克加料方法，其已成功地在HL-1M装置上开发，并应用于HL-2A装置。分子束注入在改善等离子体约束性能方面具有很多优点，如形成密度峰化，提高能量约束时间等。在过去的分子束注入实验中，发现了一些很有物理意义的现象。但是到目前为止，分子束注入的机制还不是很清楚。