HL-3装置上离子回旋波加热对中子产额的影响

离子回旋射频(Ion Cyclotron Range of Frequencies,ICRF)波加热是托卡马克装置上至关重要的辅助加热方式之一。托卡马克装置中国环流三号(HL-3,原名HL-2M)拟安装加热功率为6 MW的ICRF加热系统。本工作利用TRANSP程序,模拟并研究了ICRF加热的频率和功率对聚变中子产额以及快离子分布的影响。研究结果表明:ICRF的频率和功率对中子产额有显著影响,固定ICRF频率时,中子产额与加热功率成正比关系,而在固定ICRF加热功率的情况下,中子产额的增加幅度显著依赖ICRF的频率,在研究参数范围内,30 MHz的ICRF对中子产额的增加具有最显著的增强作用。快离子分布的模拟结果显示,在考虑ICRF加热后,中性束和ICRF的协同加热机制能够将快离子加热至最高1 MeV,有效地提高了中子产额。此外,基于中子相机诊断的概念对中子信号进行了仿真。结果表明,中子相机能够有效地测量到由ICRF加热导致的中子产额高低和分布剖面的变化,这为将来优化中子相机诊断系统设计和测量中子空间分布提供了一定的参考。

火星弓激波上游离子回旋波的观测研究

离子回旋波广泛分布于火星弓激波上游,在卫星坐标系下其频率接近当地质子回旋频率,准平行于背景磁场方向传播,与在火星外逸层太阳风拾起新生H离子有关。该文基于磁流体理论,对MAVEN探测器观测到的离子回旋波进行事例分析,通过对等离子体密度扰动、速度扰动以及磁场扰动的参数拟合,发现该离子回旋波事件可用斜传播的快磁声波与平行传播的阿尔文波的叠加来解释。该文有助于进一步理解火星上游所观测到的离子回旋波相关扰动的物理本质,对其中等离子体物理过程的重新建模和数值模拟具有指导意义。

EAST离子回旋波加热1.5MW射频放大器的研究

介绍了EAST上ICRF辅助加热系统1.5MW射频信号源中工作频率为25～70MHz的末级功率放大器的研制工作,从最优工作参数、输入回路和输出回路三个主要方面详细分析了该级大功率宽频带射频放大器。经比较,分析结果和测试数据显示了很好的一致性,这为实现ICRF加热系统的可靠运行奠定了基础。

EAST离子回旋波加热快速阻抗匹配系统的研究

离子回旋波加热是EAST装置最重要的辅助加热方法,在实验中获得了明显的加热效果。射频功率源与天线负载之间阻抗匹配才能保证最大的加热功率输出。在射频加热实验中,等离子体参数的改变将会引起天线负载阻抗的快速变化,为应对这一情况研制出了快速阻抗匹配系统。本文采用解析法和计算机仿真相结合的分析方式,研制了该阻抗匹配系统的铁氧体匹配支节,并对其性能进行了测试。测试结果表明,快速阻抗匹配系统的时间响应速度明显优于传统匹配方式的,可作为实时匹配的候选者。

HT－6M装置上离子回旋波的传播和吸收

本文从波与粒子相互作用的线性理论出发，结合ＨＴ－６Ｍ托卡马克少数离子为氢，基本离子为氘［Ｈ（Ｄ）］的等离子体离子回旋共振加热（ＩＣＲＨ）为例，讨论了离子回旋波在这特定的等离子体中传播、吸收与少数离子氢的浓度ＲＨ（定义为ｎＨ／ｎｅ，ｎＨ为氢离子密度，ｎｅ是等离子体总密度）和平行波数ｋ‖的关系。文中最后还给出了ＨＴ－６Ｍ托卡马克离子回旋共振加热的优化实验方案。

高功率离子回旋波加热监测系统的设计

本系统的开发主要是为HT-7和EAST装置下监测发射机运行状态并提供声光报警,并为高功率离子回旋波加热物理机制研究提供准确的实时数据。采用模块化设计和图形化编程语言实现了高功率离子回旋波加热监测系统的网络通讯、人机对话、数据处理、数据显示、数据库服务及网页发布功能,通过模块划分,采用层次递进,实现了系统巡检模式及系统触发模式监控。在现场测试结果中,发射机工作状态波形监测准确,发射机故障位置判断正确,实时性符合设计要求。

离子回旋波射线轨迹分析

运用离子回旋共振加热天线耦合模型，并采用波束分解的方法设定每一波束的初始条件，用射线轨迹方法计算了离子回旋波在等离子体中的功率沉积。用这种方法只需较小的射线波束。

磁暴期间电离层电磁离子回旋波的地方时分布差异

利用Swarm卫星的高精度(50 Hz)磁场观测数据,对2015年3月16—25日磁暴期间中纬度电离层电磁离子回旋(EMIC)波时空分布特征进行了研究.结果表明:晨侧EMIC波事件数与昏侧大致相当,午前时段明显多于子夜前时段.昏侧EMIC波高发生率与等离子体羽状结构有关,晨侧EMIC波高发生率与太阳风动压增强及稠密冷等离子体有关.晨侧-正午前EMIC波频率高于昏侧-子夜前,表明源区位置以及离子成分占比存在地方时差异.昏侧事件大多发生在早期恢复相,晨侧事件大多发生在晚期恢复相,晨-昏两侧的时间差异源于磁暴期间高能离子西向漂移所需时间及等离子体层顶位置的地方时差异.磁暴期间,EMIC波以H+波和He+为主,其中H+波主要分布在06:00 MLT—10:00 MLT(磁地方时)扇区,He+波主要分布在18:00 MLT—22:00 MLT扇区.在磁暴主相期间没有出现H+带波,但是出现He+-O+双波段EMIC波,表明磁暴主相期间环电流高浓度氧离子对H+带EMIC波具有抑制作用.

磁镜场中离子回旋波加热

离子回旋波(ICRF)加热作为一种射频波加热手段在许多核聚变实验中扮演重要角色,文章基于冷等离子体中的色散关系,给出了磁镜场中ICRF的共振与截止的理论表达式,探讨共振区与截止区随磁场强度、射频频率、离子成分等参数变化时的分布特性。实验表明,射频频率,磁场强度会引起共振区的扩张和收缩,离子成分对截止区宽度影响显著。

TMR中高能α粒子捕获共振Alfven离子回旋波不稳定性

本文讨论了串接磁镜反应堆(TMR)中,高能α粒子对Alfven离子回旋波不稳定性的影响,解析结果表明,当捕获反弹的α粒子与离子回旋波发生捕获共振时,离子回旋波将变成不稳定。这种非局域效应将导致高能α粒子的损失,结果大大降低了TMR对高能α粒子的约束能力。

使用电子回旋波共振等离子体源辅助中频磁控溅射沉积氧化铌薄膜

中频磁控溅射虽相较于电子束蒸发成膜质量更好,但不可避免仍然存在一部分颗粒物,将严重影响光学薄膜的质量和光学特性。研究了使用电子回旋波共振(ECWR)等离子体源作为辅助设备与中频磁控溅射相配合沉积的氧化铌薄膜,进行了等离子体诊断和薄膜表征。结果表明:在相同条件下,ECWR等离子体放电的氧化效果明显优于传统的感应耦合等离子体放电。ECWR等离子体源能够在较低压强的纯氧环境下稳定产生高密度等离子体,无须通过氩气作“引子”来激发维持氧气的稳定放电,展示了电子回旋波共振放电结构的优越性。沉积得到的非晶氧化铌薄膜光滑均匀且透射率达91%,能有效消除中频磁控溅射产生的颗粒物问题。通过透射率波峰位置对比发现纯氧ECWR放电样片出现红移,原因是其放电得到的薄膜均匀而致密,使光学禁带宽度向低能方向漂移出现带隙窄化。研究结果还揭示了离子源高密度、低能量特性与薄膜表面和光学特性之间的关系,为精密光学薄膜应用提供了新的解决方案。

离子回旋波加热天线耦合的一种改进模型

讨论了离子回旋波在托卡马克中的电磁场分布．针对传统的天线耦合平板模型计算大孔径天线存在较大误差这一问题，提出了一种改进模型，使得计算精度有了很大提高．理论计算结果与实验观测更加符合．

HT-7 Tokamak离子回旋波和低杂波等离子体逃逸电子行为研究

HT-7Tokamak拥有离子回旋波(ICRF)和低杂波(LHW)两套加热系统.ICRF主要对加热离子有比较好的加热效果,LHW则主要是通过电子Landau阻尼加热电子.除此之外,在ICRF和LHW协同加热的条件下,可以对等离子体产生更有效的加热效果,增加等离子体的聚变反应截面,增加聚变中子产额.本文报道了LHW对改善ICRF和等离子体耦合的重要作用,ICRF和LHW加热等离子体中电子温度随时间的演化过程;计算了放电过程中电子逃逸的阈值能量,分析了逃逸电子的产生过程,以及放电过程中的中子产额.研究结果发现:一定功率的LHW有助于改善ICRF和等离子体之间的耦合.ICRF和等离子体耦合情况的不同将对逃逸电子的产生率造成影响.ICRF的投入有利于增加等离子体聚变的反应截面,增加Tokamak等离子体的聚变中子产额。

托卡马克等离子体非全吸收离子迴旋波的耦合计算

详细地讨论了托卡马克等离子体对离子迴旋波非全吸收,离子迴旋共振加热天线为三维模型的条件下,离子迴旋波与等离子体的耦合问题。与全吸收等离子体模型(或称单次吸收模型)所计算得到的结果相比,本文得到的波的驻波场的解及耦合阻抗谐振特性的理论计算结果与中小型托卡马克实验所观察到的现象更为接近。

离子回旋频率波加热下的EAST等离子体锯齿行为研究

利用软X射线、中子注量检测诊断系统和偏振干涉仪(Polarimeter-interferometer,POINT)约束下的平衡反演算法(Equilibrium Fitting Algorithm,EFIT),对东方超环(Experimental Superconducting Tokamak,EAST)等离子体在离子回旋共振频率波(Ion Cyclotron Resonance Frequency wave,ICRF)在轴沉积加热下的锯齿周期,锯齿幅度,q=1面处等离子体压强梯度,q=1面的半径的变化情形进行了研究。研究发现,在轴沉积情况下,加入ICRF可以对锯齿起致稳作用(延长锯齿周期),锯齿周期与ICRF功率呈正相关;锯齿周期随着ICRF的加入或者ICRF功率的变化趋势,与锯齿幅度和q=1面处等离子体压强梯度变化趋势大体上一致;要改变q=1面半径,ICRF的功率可能需要到0.8 MW以上;在ICRF功率占比更高的加热条件下,锯齿周期和q=1面半径随着ICRF功率变化更敏感;EAST中ICRF产生的快离子和导致的q=1面半径的变化可能对锯齿行为有一定的影响。

离子回旋频段内热等离子体介电张量研究

给出了离子回旋频段内冷等离子体和热等离子体介电张量表达式,计算得到了其分布,并进行了对比。结果表明:热等离子体更能反映托卡马克等离子体的介电性质,在托卡马克离子回旋波电流驱动的相关研究中应尽量采用热等离子体模型。

托卡马克中快波电流驱动下全波方程的数值求解

用全波方法研究环形对称托卡马克等离子体中离子回旋频率范围内(ICRF)的快波电流驱动(FWCD)问题,考虑有限拉莫尔半径(FLR)效应和平行色散,建立全波计算的物理模型—全波方程,通过对全波方程的数值求解得到快波在等离子体中激发的电场强度分布.结果表明:快波可以传播到高温高密度等离子体的中心;快波在磁轴附近发生了模式转换;快波可以驱动中心的等离子体电流以改善等离子体的平衡位型;平行电场比垂直电场小三个数量级,通过垂直方向的回旋共振和平行方向的穿越期磁泵效应达到驱动电流的目的.

用全波法研究托卡马克中快波电流驱动的基本理论

给出了用全波方法研究环形对称托卡马克等离子体中离子回旋频率范围内的快波电流驱动的相关理论,研究中考虑了有限拉莫尔半径效应和快波的平行色散,建立起了相应物理模型,得到了有限拉莫尔半径假设下的色散关系和便于计算机编程计算的全波方程的具体形式,为进一步进行数值求解,研究托卡马克中离子回旋频率范围内的快波电流驱动提供了理论基础.

波粒相互作用导致环电流质子沉降的卫星共轭观测

波粒相互作用是环电流损失的重要机制之一,但波粒相互作用导致的环电流离子沉降而损失迄今为止缺乏直接的观测证据.基于磁层及电离层卫星的协同观测,本文报道了发生在2015年9月7日,由电磁离子回旋波(EMIC波)导致环电流质子沉降的共轭观测事件.在等离子体层的内边界,Van Allen Probe B卫星观测到,存在EMIC波的区域和不存在EMIC波的区域相比,离子通量的投掷角分布的各向异性变弱.我们将Van Allen Probe B卫星沿着磁力线投影到电离层高度,同时在该投影区域内DMSP 16卫星在亚极光区域观测到环电流质子沉降.而且,通过从理论上计算质子弹跳平均扩散系数,我们进一步证实观测的EMIC波确实能将环电流质子散射到损失锥中.本文的研究工作为EMIC波导致环电流质子沉降提供了直接的观测证据,揭示了环电流衰减的重要物理机制:EMIC波将环电流质子散射到损失锥中,从而沉降到低高度大气层中而损失.

多频段EMIC波共振散射辐射带相对论电子的损失时间尺度研究

作为地球磁层中一种分布广泛的电磁波,电磁离子回旋波(Electromagnetic ion cyclotron waves,简称EMIC波)是地球辐射带相对论电子的重要损失机制.EMIC波通常呈现H+、He+和O+三种不同频段,不同频段对相对论电子的散射效应和损失时间尺度大不相同.准线性理论是定量分析不同频段EMIC波对地球辐射带相对论电子散射效应的重要工具,我们利用基于准线性理论开发的Full Diffusion Code(FDC),分别计算了H^(+)、He^(+)、O^(+)三种频段EMIC波在不同空间范围、背景等离子体条件以及不同传播角模型下对辐射带相对论电子的弹跳平均投掷角散射系数,建立了L=1.5~7,背景等离子体参数α*(=f_(pe)/f_(ce))=6~30范围内的多频段EMIC波电子散射系数矩阵库.进而,我们计算了辐射带相对论电子在不同频段EMIC波散射作用下的损失时间尺度,获得了在不同磁层条件下EMIC波损失沉降相对论电子的定量信息.这些结果对于提升地球辐射带动力学过程建模水平、开展辐射带空间天气预报具有重要价值.