开题报告Sunist边界等离子体参量的实验研究

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1、开题报告Sunist边界等离子体参量的实验研究研究生姓名： 张 国 平专 业： 核科学与技术 导 师： 何也熙 教授二零零三年十二月一选题意义及内容1.1 球形托卡马克研究的意义工业化社会的发展对能源的需求越来越大，而且传统的化石燃料效率低、污染重，人类正面临着越来越严重的能源危机。因此寻找清洁环保、储量丰富的新能源是整个世界共同面对的问题。核能因其单位质量所释放的能量高而备受瞩目，其中轻核聚变更是优势突出。聚变反应所需的主要原料氘可以从海水中得到，几乎取之不尽。其产物对环境的影响也比其它能源易于控制。因此，受控核聚变研究已成为众多国家广泛共识的新能源途径之一。聚变反应要求核燃料处于等离子体态

2、。约束等离子体有两种方法，即磁约束和惯性约束。托卡马克（Tokamak）作为一种有效的磁约束受控核聚变装置，其科学可行性已经得到验证，已成为目前国际上主要支持的实现聚变能源的途径。但是，传统托卡马克装置自身存在着一些不足，突出的有：低的环向磁比压值、过于复杂的结构、运行中存在的垂直不稳定性以及由此极易导致的等离子体大破裂等。这使得传统托卡马克装置的规模越来越大，其经济性渐受置疑。1986年，美籍华裔科学家彭元凯1首次提出了球形托卡马克（Spherical Tokamak，简称ST）新装置概念。所谓球形托卡马克，是指装置的环向大半径R与小半经（等离子体半径）a之比（环径比A=R/a）接近于1的磁

3、场约束位形。在这种位形下，等离子体的约束特性有很大改善。例如，同样的磁场条件下该位形可以约束更高密度的等离子体，且内在地具有抑制垂直不稳定性的特点。因此这种类型装置可以在比传统托卡马克装置规模小得多的条件下实现同样规模的聚变条件，其经济意义不言而喻。上世纪九十年代，以START为代表的ST装置已从实验上初步验证了这种类型装置的优越性。1999年，清华大学工程物理系与其他科研单位合作，开始了中国自己的球形托卡马克研究计划，建造中国第一台球形托卡马克装置SUNIST（Sino-United Spherical Tokamak，中国联合球形托卡马克）。目前已完成装置本体建设。这对自主研究低环径比磁约

4、束等离子体特性、丰富磁约束聚变途径将起到重要作用。作为了解和掌握该装置等离子体约束性能的重要一环，边界等离子体参数的诊断是一项基础工作。因此本论文将球形托卡马克装置SUNIST边界等离子体参数诊断作为论文选题。1.2 课题工作内容磁约束装置中的一切实验现象只能经间接的实验信息提取技术即诊断才能进行具体的分析和研究。SUNIST的诊断系统包括电磁测量、辐射测量、信号隔离和数据采集几部分。作为边界诊断的有效手段，本课题利用多组静电探针系统对SUNIST边界等离子体参量进行实验研究。内容包括：给出欧姆放电下边界等离子体电位，电子温度，电子密度，等离子体流速以及它们的涨落量的径向分布。本课题的最终目标

5、是将探针诊断发展成为Sunist常规诊断手段，为开展进一步物理研究提供条件，并为将来的反馈控制创造基础。具体工作包括以下几方面：1 静电探针诊断系统的建立。包括探针及其支架结构的设计和安装、信号采样电路的设计和制作、以及与Sunist信号采集系统的连接。2 通过实验和数据处理，得到Sunist欧姆放电状态下的边缘区等离子体的电子和离子温度、密度、等离子体空间电位、径向电场、极向和环向流速度等多种信息。3 对上述物理量的时间演化过程和空间分布(径向分布)特征进行分析，并与传统Tokomak上的数据进行对比分析。二、课题工作计划和进程2.1 静电探针诊断系统的设计和建立根据所测参数的不同，我们拟在

6、Sunist装置赤道面的三个窗口（见图1）上分别安装三组静电探针系统。窗口A为四探针，用于获取边缘区等离子体的电子温度、电子密度、等离子体空间电位、径向电场；窗口B为马赫探针和雷诺协强探针，用于诊断等离子体环向流速和研究由静电涨落引起的径向电场力平衡关系；窗口C为两副径向可相对移动的粒子通量探针组（探针），用于粒子通量的径向相关测量。目前，探针诊断系统的设计安装和与Sunist采集器的连接已基本完成，现在正在进行调试。图1 Sunist装置各组探针安装位置示意图. (A) 四探针; (B)雷诺协强探针和马赫探针; (C) 粒子通量探针阵列（探针）。2.2 数据的采集信号的取样和采集流程如图2所

7、示。图2 Sunist静电探针信号流程图信号取样电路主要考虑提高信噪比和接地问题2。静电探针信号的噪声主要来源于放电时的空间杂散场干扰和供电电源。对于前者主要通过静电屏蔽来减消，对于后者则采用蓄电池供电以彻底去除工频及其谐波的干扰。同时，为了实验需要，比较容易或者同一探针的不同信号，例如在探针测量悬浮电位和离子饱和流之间切换，电压信号的分压衰减和电流信号的电阻取样将与探针完全独立制作，采用统一的Q9插座连接，这样我们可以在需要的时候切换探针的用途。正确良好的接地是抑制噪声的重要措施之一。实验中严格遵循“单点接地”原则。各路探针的对地参考点选在装置壁上。信号采集电路主要考虑接地和采集频率问题。放

8、电进行时，装置壁电位通常有大的跃变，这种电位跃变会对信号采集形成严重干扰，因此装置不能与采集器共地。信号传输需用光电隔离器件作为中介来隔离装置地与采集地。光电隔离器的设计原则包括以下几点3：1) 由于探针电流可能很小，所以要求光隔灵敏度高，可以用于小信号的传输。2) 要求有很高的输入阻抗来避免影响输入信号。3) 要求有较宽的频率响应。为使信号能不失真地传输，光电隔离器的频率响应带宽要求23倍于信号带宽。4) 由于诊断信号数量众多，光隔的成本也是考虑的因素之一。由光电隔离器输出的模拟信号经模-数（A/D）转换后由采集器采集。由采样定理知，为避免“频率混叠”，要求采集器采样频率大于等于两倍信号的最

9、高频率。实验中采用中科院物理所设计制造的两箱32道（各16道）5 MHz 采样率12位精度的瞬态信号采集器，采样率在32KHz5MHz内多级可调，能够满足实验数据的采集要求。2.3 实验计划Sunist的典型放电状态如图3所示。实验条件为氢气放电，气压2.410-2Pa。图中Ip为环向等离子体电流信号；其他分别为四探针给出的悬浮电位Vf，探针电位V+，离子饱和流Is。由图可以看出，等离子体电流约20 kA，欧姆放电持续时间约2.3 ms，其中达到宏观等离子体平衡的平台区约1 ms。通过实验调试，探针诊断系统已经可以胜任正常放电状态下的信号获取和采集记录。四探针和马赫探针，雷诺协强探针信号正常。

10、下一步，我们将进一步调整Sunist放电状态，以期拉长电流平台区，找到合适而且稳定重复的放电状态。这是进行边界物理研究的一个前提条件。图3 Sunist上静电探针信号当放电状态稳定重复，并且有合适的宏观平衡电流区，拟先进行初步的四探针获取，沿径向进行实验研究，给出Sunist球型Tokamak边界等离子体电子温度，电子密度，等离子体电位以及它们涨落的径向分布。在这个基础上，我们再逐步引入马赫探针的诊断，获取等离子体环向和极向流速的径向分布。最后再逐步引入雷诺协强探针和探针的信号诊断和数据处理。具体的工作预期和计划如下：已完成得探针诊断系统的搭建工作共历时半年，并将在未来的1个月时间内进行调试和

11、完善。数据的采集和累积工作拟在6-7个月内完成。数据处理程序的编写以及数据的分析工作预期4个月左右完成。论文的整理和撰写拟在2个月左右的时间完成。按照这个计划，论文工作将在1年至1年半的时间完成。三、文献调研31 球形托卡马克的发展及现状4-6球形托卡马克的概念于1986年被提出之时，当时由于在常规托卡马克ASDEX装置上的H-mode（High-confinement mode）的发现，传统托卡马克的研究正进入柳暗花明的新阶段，因而这一概念的提出并没有受到太大的关注。但因为其结构相对简单、投入的需要较传统托卡马克低得多，并且具有很多优点，例如等离子体的环向磁比压值大大升高、等离子体的形状自然

12、拉长，而且在传统托卡马克中令人担心的等离子体电流大破裂现象也会得到根本性的改善，等离子体密度极限得到拓展，等离子体有着良好的约束特性等等，于是一些大学实验室率先建设了一些原理性的小装置并在等离子体的平衡和稳定性方面取得了很令人感兴趣的实验结果。1991年，世界上第一个球形托卡马克装置英国Culham实验室自筹经费建设的START投入运行。之后，同等规模的CDX-U、HIT等装置相继建成并投入运行。90年代后期，START上获得环向磁比压值的新突破，达到40%，是上一个世界记录，即在传统托卡马克DIII-D上达到的12.6%的三倍；而磁轴处的值竟高达150%，超过了传统的极限；密度达到甚至超过了

13、Greenwald密度极限。这初步验证了彭元凯关于球形托卡马克理论的预期，令人有理由相信这一类型装置存在的重大优点。由此，球形托卡马克开始得到了国家级研究计划的支持，更为深入、广泛的研究计划由此而展开，在其它的ST装置上也取得了较好的研究成果。近来，在普林斯顿的NSTX和Culham的MAST上，都已经获得了兆安量级的等离子体电流，实现了装置H-Mode的常规运行。NSTX上最大的等离子体电流已经超出其设计值50%，当使用中性束加热时，环向值t35%，密度达到Greenwald密度极限的120%；不使用欧姆线圈，仅仅用同轴螺旋度注入，产生了400KA以上的电流。另外，美国的PEGASUS、俄罗

14、斯的Globus-M、巴西的ETE和日本的TST-2、TST-M也都逐步进入了正常实验状态。球形托卡马克目前处于类似传统托卡马克70年代后期的发展阶段。SUNIST是我国设计并建设的第一台球形托卡马克装置，也是我国近年来首次开展非传统托卡马克途径的受控核聚变实验研究。3.2 静电探针诊断系统237-11静电探针（又称朗谬尔探针）是利用在等离子体中引入一实物探针来直接测量流到探针表面的粒子和能量通量。利用静电探针对等离子体进行诊断最早由朗谬尔提出，并不断的被发展扩充，被用于电子饱和流、热流量（Manos and Cohen 1982, Stangeby et al 1981）, 类氢元素的离子流

15、（Erents et al 1978）, 甚至等离子体杂质元素的测量（Wampler et al 1980）。由于静电探针结构简单，且具有空间分辨性，被广泛的应用于几乎所有的等离子体实验装置，用于测量各种等离子体参数。最常见的朗谬尔探针包括以下几种形式：悬浮探针、单探针、双探针和三探针。悬浮探针的结构最为简单。将一根与装置绝缘的悬浮探针伸入等离子体中时，探针表面将迅速收集等离子体中电子和离子流向表面的粒子通量。由于离子质量远远大于电子质量，在局域热平衡（）条件下，电子的平均热运动速度将远远大于离子的平均热运动速度，从而探针表面收集到的主要是电子流，即相当于探针发射正电流。由于过量负电荷的积累，

16、探针表面很快形成一负电位（悬浮电位）阻止电子进一步流向探针，最终使流向探针表面的电子和离子通量相等。这个悬浮电位显然低于等离子体空间电位。利用单探针，我们可以悬浮电位进行测量。如果在上述探针上外加一变化的偏置电压V，就是单探针的结构。通过切换不同的偏置电压值，探针的收集电流I将随之发生变化，于是可得到单探针的伏-安特性曲线。通过分析伏-安特性曲线在过渡区的斜率，可以得到电子温度。同时利用伏-安特性曲线也可以测得电子密度和电子饱和流。双探针系统中，两探针距离很近，都和容器壁绝缘，两探针之间加一个变化的偏置电压V。双探针也需要通过切换偏置来得到伏-安特性继而进行等离子参量的诊断。利用单探针和双探针

17、进行等离子参量的诊断，由于需要切换偏置电压值或者频率，使得测量系统相对复杂，并且需要很复杂的后期数据处理才能得到所需测的电子密度、电子温度等等离子体参量。三探针的出现很好的解决了这一些问题，运用三探针进行等离子参量的诊断不再需要任何的电压或者频率切换，这使得测量的响应时间缩短至探针自己的响应时间()。更重要的是，三探针可以直接给出电子温度，并能通过很简单的数据处理给出电子密度。通过三探针在磁场中相对位置和获得信号的不同组合，我们还可以利用三探针测量边界等离子体的极向和径向电场涨落，粒子和能量通量等边界等离子体参量。因此，本课题将使用三探针作为一种重要手段对Sunist边界等离子体参数进行测量和

18、研究。3. 2. 1 三探针原理所谓三探针，是由三根相同的、间距很近的静电探针组合而成的一种探针技术。该方法能同时测量等离子体电位、电子温度和电子密度以及它们的涨落量，给出边界湍流谱信息，因此已成为目前高温等离子体边界诊断中极为重要的工具之一。 图4 三探针电路示意图 图4是三探针电路示意图。针1、针2构成一副双悬浮探针，用于测量，针3作为单探针用于测量。针1、针2间加直流偏压（通常要求），为流过针1、针2的电流：、分别为两针的端点电位。由于针1、针2间距离很小(2 mm)，可认为其间等离子体是均匀的，具有相同的参数分布，故流过二者的电子饱和流、和离子饱和流、分别相同，设为（）和（），同时设针

19、1、针2收集的电子电流分别为、，则有以下关系成立。 （3-1）由此可得 （3-2）针3无外加偏压，故流过的电流为零，即故有 （3-3）由(3-1)(3-2)式同时考虑到条件，可得：再与（3-3）式比较即可得 （3-4）因此，由的测量可直接得出，将代入离子饱和流表达式式，即可得到。上述公式推导产中，针间等离子体电位分布近似相同这一假定误差较大，因此人们在三探针基础上发展了四探针阵列和五探针阵列等多种方法来减小这一误差。其中四探针方法是：将沿纵场磁场方向排列的针1、针2用作双探针，沿极向排列的针3、针4用作两单探针，测出的悬浮电位分别为、，取其平均作为与针1、针2沿同一磁力线位置处的悬浮电位。在S

20、unist装置的一个诊断窗口我们使用了四探针进行参数诊断。3. 2. 2 马赫探针马赫探针是目前能对边缘等离子体中离子流速度（沿环向的速度和极向流速）有较精确可靠的测量和估计的一种有效手段。马赫探针实质上属于静电探针的扩展，其基本结构图5所示。 图5 简单马赫探针结构示意图针1、针2是两单探针，用于接收离子饱和电流。它们被绝缘分隔器3隔离开，因此只能分别接收上游方向来的离子流和下游方向来的离子流。设计上要求分隔器尺寸远大于离子回旋半径（强场近似条件）。这样，根据探针鞘层形成的Bohm理论，分隔器两侧将分别形成沿纵向（方向）尺度L很长的预鞘区（又称离子通量管），以使进入通量管（主要是垂直于方向上

21、的横越磁场扩散贡献）的离子在沿纵向电场加速流向探针并在到达探针表面（严格说应是鞘面）位置时其速度达到离子声速。预鞘区长度L也称为自然收集长度，它可以依据粒子通量守恒（横向扩散进入通量管的粒子通量等于鞘面收集通量）估计出来。由图3-2，通量管截面积，侧面积，横向扩散系数，横向速度，鞘面位置纵向速度。由扩散定律，即；而，由导出 （3-5）显然，收集长度L与分隔器尺寸有关。如果在分隔器两侧长为L的范围内无任何其他物体存在，其预鞘区是自由预鞘区；若有其它物体存在，则两物体的预鞘区必然重叠，“自然”收集机制受到影响，这时的预鞘区称为束缚预鞘区。这两种情形下预鞘区内参数分布差别很大。简单马赫探针要求分隔体

22、两侧均为自由预鞘区。 当等离子体沿方向具有一个较大的漂移速度时，实验中发现上述马赫探针（又称简单马赫探针）的分隔器两侧探针收集的离子通量具有很大的不对称性。Proudfoot等人通过对DITE托卡马克边缘区的实验结果统计给出了一个经验公式 （3-6）其中表示马赫数，R为探针收集的上下游离子通量之比，考虑到探针的对称性，可以认为这一比值等于上下游离子饱和流之比，即。在理论上，Stangeby最早用一维流体模型对马赫探针的测量结果进行描述。该理论在不考虑等离子体粘滞效应情形下给出了M与R的关系： （3-7）但是在托卡马克边缘区，离子流速度沿垂直于方向是有剪切的，忽略这种剪切带来的粘滞效应是不适当的

23、。因此，后来Chung和Hutchinson在假定存在粒子横越磁场的密度扩散和动量扩散等效应基础上，并取归一化粘滞系数（其中粘滞系数，m、n为粒子质量和数密度），用动力学模型导出另一个关系式： （3-8）式中K常数因子，其大小取决于未扰动区域离子温度与电子温度的比值，数值计算表明，当取0.2、1和2时，K分别为1.9、1.7和1.3。其中时（实际托卡马克边缘等离子体大都满足这一假设），K=1.7，将其代入(3-17)式，得，与Proudfoot等人给出的经验公式(3-15)式恰好一致。紧接着，Chung和Hutchinson又对上述模型进行进一步完善，取并在预鞘区收集离子的源项中增加了电离效应

24、，导出了新的关系式 （3-9）其中。多数实验与理论结果的比较表明，(3-8)，(3-9)式更为准确，因而此二式被广泛应用。对于垂直于方向的等离子体流速，上述理论不能使用，而且目前尚无精确的理论模型。但有工作表明极向流速， （3-10）其中、分别为电子逆磁漂移方向和离子逆磁漂移方向上的离子饱和流。因此，可以用（3-19）式来研究极向流速的分布状况。3.2.3 雷诺协强探针雷诺协强探针阵列由3个单探针构成，如图6。全部用于测量悬浮电位。三根探针的径向位置与三探针同，针3较其它两根沿径向伸长2 mm。示意图可知，针1针3也处于极向相近的两个环向位置上（基于同样原因，二者不在同一磁力线上），因此它们测

25、得的悬浮电位差异主要是径向分离的结果，环向分离带来的影响可忽略。故由和可求出径向电场涨落（mm是两针的径向间距）和径向波数（为的Fourier变换给出的位相）。同样，由针1和针2可求出极向电场涨落和极向波数（mm是两针的极向间距）。图6 雷诺协强探针参考文献：1. Y-K.M. Peng, D. J. Strickler. Features of spherical torus plasmas. Nuclear Fusion, 1986, Vol. 26: 769-7772. 王文浩.磁约束等离子体边缘湍流长程相关特征及湍流雷诺协强驱动极向流研究.博士学位论文,中国科技大学，20023. J.

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