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1、CO2相干汤姆逊小角激光散射诊断介绍 及三月二十五日实验数据初步分析,李亚东、李建刚、毛剑珊,OH,BEAMS 1050 KW,ELECTRONS ,ION ,b-I 570KW,B-I 430kW,50KW fast-ion charge exchange,60KW,100KW,470KW,40kw,390Kw,20kw,40kw,radiation,Thermal convection,Thermal conduction,Internal disruption 100kw,Turbulence+other effects 370kw,Charge exchange,Thermal con
2、vection,Thermal conduction,托卡马克装置能量流动图(ISX-B),低频密度微涨落首先由Mazzuato用微波相干散射方法于1976年在ATC上发现、随后Surko和slusher用co2激光相干散射的方法在ATC也发现了宽频、小尺度的密度涨落，实验证明反常的电子能量损失过程是小尺度、扩散类型的过程。微涨落的幅度通常用混合长度来估计（尽管并不完全正确）。微涨落由线性增长、非线性增长、达到饱和。相对密度涨落1/Ln称为混合长度估计，在这种情况下，一般认为密度扰动发展的足够大，能在小范范围内抹平初始的密度梯度，它是漂移波自由能的源泉。或者说扰动的EB漂移速度等于电子的逆磁漂
3、移速度。达到饱和的湍流将由离子、电子康普顿效应、或与高阶MHD作用等过程将能量转移出去，因此微湍流并不导致等离子体的宏观变化、仅仅产生反常输运。Ln=-(d(lnn)/dr)-1 在托卡马克边界为1几厘米，在芯部可达近无穷大。在边界一般为13cm-1而在芯部一般为310cm-1，因此1/Ln在托卡马克等离子体中心很小，相对密度涨落值中心一般为0.11%，边界为10100%。,密度微涨落的一般尺度、特点,CO2 激光相干散射诊断信号的特点,电磁波相干散射的散射截面为=0S(k,w) 0=(e2/mc2)2-thomson cr0ss-section S(k,w)=limv 2/VT ne（k,w
4、）2 T k=ks - ki w=ws -w i = (2)-4S(k.w)dk dw k谱为 (2)-1 S(k.w)dw。在七十年代中期至八十中期，认为Kr,K可比。 K在小环截面认为是相同性的。但 K K 。随着一批中型托卡马克的建立， 诊断技术的提高，八十年代中期以后，人们发现Kr,K并不可比，因而不在认为K 在小环截面的相同性。 频谱为 (2)-3 S(k.w)d k 频谱一般分为宽谱、窄谱。并且含有由于等离子旋转产生的频移。 宽谱认为各不相关 K模的相互耦合作用，使频谱展宽。www*e w*e = KCT e /(eBLn) -电子逆磁漂移频率,宽谱的型状在各装置、及各装置的不同位
5、置都不相同。早期的实验根据有关的输运模型，用高斯和洛仑兹线型做为比较。随着装置的发展，发现差别越来越大，现在用的越来越少。但宽谱的幅值与装置的约束改善还是存在一定的联系。 窄谱根据其谱的窄度，认为各k模相关、或部分相关。H模、ITB、QDB等都在等离子内部发现了相干模-窄谱。窄谱一般认为反应了湍流结构的变化。这对研究托卡马先进运行模式是十分重要的。 频谱的研究可获取能量输运的信息。例如内部等离子体湍流的实验发现湍流一般不与低阶MHD相关，但与高阶MHD相关，由高阶MHD在边界的区域性可知，内部等离子体湍流与输运与边界因素密切相关，托卡马克等离子体内部各模的相关、各涨落量的相关是一个十分大的课题
6、。,托卡马克密度涨落、约束改善及剖面梯度量分布的联系,密度涨落的频谱在托卡马克的内外则是不同的，在外侧一般是宽谱，宽谱的形状各装置的发现并不一致，在托卡马克装置内侧，其频谱还有一定的相似性。并可用高斯或洛仑兹线型拟合，但结果并不满意，一般试图用通行粒子和束缚粒子来解释内外侧频谱的差异，当然还有别的因素。 密度涨落的频谱在托卡马克装置上下的幅值并不相同，在有的装置上曾发现二者有十几倍的差异。托卡马克装置等离子体小环和大环的不对称性及其变化规律的问题是实验物理的重要内容。 对于密度涨落的宽谱，实验发现涨落幅值的减小，对应着托卡马克等离子体约束的改善，即e提高，这一般发生在eqe，即电子主导区域。对
7、于密度涨落的窄谱，这个关系并不存在，例如在ITB期间，密度涨落的幅值变大，但频谱变窄。可以这样理解，密度涨落的窄谱(部分相干谱)对应于湍流的结构，而湍流的结构对应于托卡马克剖面梯度量分布的线型。因此托卡马克剖面梯度量分布的线型决定了输运，也决定了湍流的性质。 托卡马克装置等离子体的输运一般分为 q 0.8 边界区 Berlizov et al concluded that the the anomalous conductivity was determined by three different mechanisms in three distinct zones of the plasm
8、a for q for the main gradient regions between the q=1and q=2 surface . The inferred conductivity has its lowest values q 2 the inferred conductive rise dramatically and may be related to MHD activity associated with the q=2 surface which leads to convective transport,从八十年代到九十年代初期，关于托卡马克等离子体内部湍流和输运的实
9、验研究表明，寻找普遍的适用的二者联系是不成熟的。instead we will have to rely on testing various models, being careful that spatial asymmetries are look for and if present accounted for. because an understanding of the turbulence implies that we have a model to explain it. There are three reasons make us say so: fist comes
10、the problem of possible geometric asymmetries, neither a point nor a line of sight measurement of a fluctuating quantity is adequate.second comes the choice of applicable turbulence regime flux（ ）2 （ ）1 or（ ）0 in quasilinear、strong turbulence and stochastic regimes has been proposed however we shoul
11、d be able to distinguish which is the applicable regime from the measurement of the turbulence microstructure itself. Third other varying plasma parameters ( such as Te) appear in the relationship between a flux or transport coefficient and a fluctuation level,托卡马克等离子体内部的湍流和输运,Homodyne optics test a
12、nd optics arrange in HT-7 tokamak,CO2Laser,probe,Block,Beam splitter,Plasma,K=730cm-1,Focalize Lenses,Focalize Lenses,CO2 laser,plasma,He-Ne Laser,detector,Power supply,Block,Ge,ZnSe,reflector,Focalize Lenses,Imaging mirror,Homodyne optics test in HT-7 tokamak,Ge,CO2相干汤姆逊小角散射仪机械框架示意图,CO2 Laser syste
13、m,钼反射镜,布氏窗,水冷,水冷,流动工作气体,流动工作气体,ZnSe输出镜,镍电极,镍电极,能量输出10w 模式 TEM00 线偏振输出,Detector system,HgCrTe probe,preamplifier,High passer,Amplifier,Filter,Computer,Long line transport,CO2激光散射原始信号Ne=1.5E+19 M-3 k=8.8cm-1,CO2激光散射原始信号Ne=2.0E+19 M-3 k=11cm-1 LHCD+ICH,杂质逐渐增加条件下芯部密度涨落监测 芯部涨落幅值与密度相关联(无破裂及强MHD),频谱线宽与温度相关
14、，与软x辐射强度相关，当石墨探针逐渐伸入等离子体、碳含量逐渐增加，杂质辐射增强，等离子体温度下降，频谱线宽逐渐变窄、高频成份逐渐降低！K=12 cm-1,60842原始信号,60842炮FFT变换结果,Shot60843FFT变换结果,Shot60844 FFT变换结果,60842 傅氏变换结果 680880ms,60843 傅氏变换结果 680880ms,60844 傅氏变换结果 680880ms,模式的变化？,密度涨落频谱的宽度般认为反映了湍流的驱动力强度，温度升高，频谱加宽， 频谱的高频成份增加 。托卡马克约束改善的本质就是减少湍流的驱动力，减少反常 输运的能量损失。因此、无论是H模、还
15、是ITB模期间，相应的频谱宽度都变窄。 而密度涨落的幅值并不一定变小，下面60836、60837两炮在550850ms期间可能存 在模式的变化。K=12 cm-1,60836FFT变换结果 注意550850ms,60837FFT 变换结果 注意550850ms,60836傅氏变换结果 时间段550850ms,60837傅氏变换结果 时间段550850ms,444454 ms,444454 ms,MHD幅值与芯部密度涨落的关联 一般认为反常输运与高阶MHD相关，高阶MHD存在于托卡马克外层等离子体或边界，低幅值的MHD与芯部关联不大，高幅值MHD可导致破裂，但高幅值MHD与芯部密度涨落关联的系统实验研究文章我未见过，边界与芯部涨落、涨落的低频(MHD)与高频(相对)之间的关系。这是十分有意思的研究课题。本轮实验观察的许多炮发现低幅值MHD与芯部密度涨落之间并无直接的关联。Shot 60861是充分发展的MHD振荡,芯部密度涨落信号分析二者有关联,但频谱的波段显然不同。,Shot 60861,电流爬坡实验及相应的现象 在密度不变的条件下，电流爬升可产生（1）等离子体加热，（2）
