HT7托卡馬克裝置ETG模范圍的微觀不穩(wěn)定性實驗觀測

1、背景 磁約束等離子體中的反常熱輸運問題是設(shè)計、規(guī)劃未來聚變堆的關(guān)鍵因素 之一，這個問題一直是聚變研究的熱點課題。最近十年研究的結(jié)果表明， 在托卡馬克裝置高約束運行狀況，離子通道的熱傳導(dǎo)可接近新經(jīng)典理論預(yù) 示的值，離子通道的熱傳導(dǎo)可歸因于離子溫度梯度模(ITG)湍流，EB剪 切流可抑制ITG湍流。但電子通道的熱傳導(dǎo)仍然是反常的，其e數(shù)值約為 新經(jīng)典理論值的二個數(shù)量級。由于燃燒等離子體中的粒子主要加熱電子， 隨著ITER計劃的進展，電子熱輸運研究越來越重要。 電子的熱輸運歸因于捕獲電子模(TEM)和電子溫度梯度模(ETG)湍流。 一般認(rèn)為TEM模湍流主導(dǎo)了電子的熱輸運。隨著電子內(nèi)部輸運壘(e-IT

2、B) 的發(fā)現(xiàn)，電子溫度梯度模湍流被認(rèn)為是反常的電子熱傳導(dǎo)產(chǎn)生的原因,目 前美國方面傾向于ETG模湍流驅(qū)動了電子的反常熱輸運，而歐洲方面更傾 向于TEM模湍流是電子熱輸運的原因；因此需要進一步的實驗證據(jù)。電 子熱輸運實驗研究顯示，電子的熱輸運存在著臨界值，高于這個臨界值電 子的熱輸運快速增長。因此,TEM模或ETG模湍流的爆發(fā)也應(yīng)該存在著臨 界值。 一般認(rèn)為ks0.251.8 是TEM模區(qū)間；ks1.8為ETG模區(qū) 間；電磁波相干散射診斷擁有波矢分辨能力，能夠區(qū)分TEM模和ETG模 湍流。 密度漲落大k波矢測量的難點及相干散射診斷發(fā)展?fàn)顩r 電磁波相干散射散射光功率 Ps(k)P0i2 n2(k)

3、Lv2 n2(k)k -3.50.5 P0光源功率；i光源波長; Lv散射體長度 ;n(k) 密度漲落 顯然(1)光源波長越長、功率越高，散射信號越大。 (2)散射波矢k越小，散射信號越大。 遠紅、微波光源要考慮折射效應(yīng)導(dǎo)致k波矢測量的不確定性，其大功率光 源難以制造購買。中紅外CO2激光光源不用考慮折射效應(yīng)，但光學(xué)系統(tǒng) 要求苛刻。 近期用于電子輸運研究的相干散射診斷： Tore Supra:二氧化碳激光散射診斷ALTAIR(己停) (1) k=315cm-1，兩k波矢監(jiān)測，可在放電過程中進行單k波矢連續(xù)性掃 描，進行過k臨界值實驗嘗試，沒有發(fā)現(xiàn)ETG模湍流爆發(fā)的趨勢。 (2)后改造為k=62

4、6cm-1，系統(tǒng)信噪比不夠理想 DIII-D: (1) 1毫米波單k前向散射 +極小角散射 k=1020cm-1+ k=01cm-1 (2) 新的3毫米波單k后向散射 k=3050cm-1 (2001年由美國TTF(transport task force) 資助開始建造) HT-7:二氧化碳激光散射診斷：k=1234cm-1 三k同時監(jiān)測，用于電子 輸運研究 (由重點基金項目(10335060) 支持) k譜掃描實驗 K=17cm-1 k=25.5cm-1 K=20cm-1 k=28.5cm-1 k=23cm-1 k=31cm-1 k=34cm-1 隨著k增大，正常寬譜湍流逐 漸減弱、消失。

5、一種新湍流 產(chǎn)生，其峰值逐漸向低頻擴 展，所占相應(yīng)k波矢密度漲落 成份逐漸增大，在k=25.5cm- 1附近達到最大值。以后開始 降低，密度漲落頻譜寬度開 始變窄，并向峰值頻率 200kHz集中。s0.13cm由 此可見在微觀尺度ETG模k譜 區(qū)間，存在一種新湍流爆發(fā)， 可能反映了ETG模的不穩(wěn)定 性 相同等離子體密度、不同等離子體電流實驗 存在頻率峰值180200kHz的新湍流爆發(fā)，較高等離子體電流平臺，相 應(yīng)的高k波矢湍流有增強的趨勢，湍流向高k方向移動。這顯示了溫度與 湍流尺度的聯(lián)系， K=17cm-1 k=23cm-1 k=28.5cm-1 相同等離子體電流、不同等離子體密度實驗 對于

6、較高等離子體密度實驗平臺，三個k波矢密度漲落均存在較低頻率連 續(xù)譜湍流的爆發(fā)。漲落的峰值顯然在k=23cm-1；較低等離子體密度實驗 平臺的密度漲落全面大于較高等離子體密度實驗平臺的密度漲落。顯示了 電子溫度與湍流的聯(lián)系；這里也能看到隨著電子溫度的升高，密度漲落強 度向高k移動的趨勢。 K=17cm-1 k=23cm-1 k=28.5cm-1 ne=1.56 1019m-3 ne=2.0 1019m-3 不同電流爬升率實驗(較高密度=2.61019m-3) K=17cm-1 k=23cm-1 k=28.5cm-1 k=17cm-1 k=23cm-1 k=28.5cm-1 觀察 較高等離子體密度

7、實驗平臺=2.61019m-3：k=23cm-1 波矢密度漲落中產(chǎn)生了一種新的湍流，k=28.5cm-1波矢密度漲 落主要成份屬于這個湍流。這是一個頻率峰值在180200kHz 的連續(xù)譜，s 0.13cm, k s值在ETG模區(qū)間，而相應(yīng)的 k=17cm-1 波矢密度漲落中沒有發(fā)現(xiàn)這個湍流。觀察發(fā)現(xiàn)隨著電 流爬升率的下降，密度漲落強度有明顯增加的趨勢，是否R/LTe 值的原因需要進一步的實驗研究。 等離子體密度=1.91019m-3實驗平臺，k=23cm-1波矢密 度漲落中存在一種新湍流，k=28.5cm-1波矢密度漲落主要成份 是這個湍流。這是一個頻率峰值在180200kHz的連續(xù)譜, s

8、0.13cm ,相應(yīng)的k=17cm-1 波矢密度漲落也包含了部分這種湍 流。觀察發(fā)現(xiàn)隨著電流爬升率的下降，密度漲落強度沒有明顯增 加的趨勢。 結(jié)論 (1) 在微觀尺度ETG模k區(qū)域首次觀測到新的湍 流的爆發(fā)，可能是ETG模的不穩(wěn)定性 (2) 證實了模不穩(wěn)定性與電子溫度的關(guān)聯(lián) (是否主導(dǎo)電子熱輸運需要進一步的實驗) (3) 首次觀測到電子溫度的增高，模不穩(wěn)定性向 高k方向移動。 致謝 實驗方案的構(gòu)思獲得董家齊教授的指導(dǎo)和有益的討論。 感謝徐國盛、林士耀同學(xué)在數(shù)據(jù)處理和實驗方面的幫助。 附錄： 12141618202224262830 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

9、 Ip=100kA ne=2.0*10 19m-3 HT-7 S(k) a.u k (cm -1) D Bt1.7T 測量區(qū)域=r/a0.6 s=0.13cm S(k)k-3.6 正常的k譜(沒有新湍流產(chǎn)生) s 0.1cm K=17cm-1 k=23cm-1 k=28.5cm-1 觀察 較高等離子體密度實驗平臺=2.61019m-3：k=23cm-1 波矢密度漲落中產(chǎn)生了一種新的湍流，k=28.5cm-1波矢密度漲 落主要成份屬于這個湍流。這是一個頻率峰值在180200kHz 的連續(xù)譜，s 0.13cm, k s值在ETG模區(qū)間，而相應(yīng)的 k=17cm-1 波矢密度漲落中沒有發(fā)現(xiàn)這個湍流。觀察發(fā)現(xiàn)隨著電 流爬升率的下降，密度漲落強度有明顯增加的趨勢，是否R/LTe 值的原因需要進一步的實驗研究。 等離子體密度=1.91019m-3實驗平臺，k=23cm-1波矢密 度漲落中存在一種新湍流，k=28.5cm-1波矢密度漲落主要成份 是這個湍流。這是一個頻率峰值在180200kHz的連續(xù)譜, s 0.13cm ,相應(yīng)的k=17cm-1 波矢密度漲落也包含了部分這種湍 流