EAST微波反射仪诊断的实验研究

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本论文主要探讨了EAST上测量密度剖面以及密度涨落的系统搭建以及相关的物理研究工作。在诊断建设方面主要讨论了用于密度剖面以及密度涨落测量的V(50-75GHz)和W(75-110GHz)波段反射仪的搭建以及相关的测试工作。物理研究方面主要开展了对等离子体L-H转换引起所的等离子体密度剖面演化以及相邻ELM之间的湍流行为进行了测量,并且总结了用几种不同手段控制ELM的实验结果。此外,模拟方面用BOUT++研究RMP对ELM影响的工作正在处于起步阶段。  EAST装置上的V和W波段微波反射仪设计、组装以及测试工作是以本人为主导进行的,论文在诊断介绍部分详细介绍了EAST上V和W两套反射仪的参数设计以及系统测试的结果。V和W波段微波反射仪系统可以进行等离子体密度剖面和等离子体涨落测量,在密度测量时所使用的是可以高频扫描的VCO,在密度涨落测量时使用的是极低相噪的频综。在2012年EAST实验中,V和W波段的反射仪第一次在EAST上使用,取得了丰富的实验数据,但是由于窗口等问题无法做到V和W波段同时测量,也无法做到密度剖面和涨落同时测量。相关的改进工作正在进行,这些问题将在下一轮实验中得到解决。  本论文中主要给出了V波段涨落反射仪在ELM之间等离子体台基湍流的测量结果。这些测量结果包括Type-Ⅲ ELM的先兆振荡;频率为~200Hz和~70Hz混合ELM时,~70Hz的ELM之间的谐频模;频率为~200Hz和~10Hz混合ELM时,~10Hz的ELM之间的相干模;以及频率范围在60-180kHz,△f~14kHz的宽频模。  物理部分主要是总结了EAST上用不同的方法控制ELM的实验。其中锂弹丸和氘弹丸是通过在自发ELM出来之前主动触发ELM的一种方法,锂弹丸触发ELM的实验也是在Tokamak中第一次被观察到。另外还有包括用超声分子束(SMBI)以及偏滤器靶板充气的方式控制ELM。在EAST上还首次观察到了调制的低杂波对ELM的抑制以及缓解作用,研究发现在低杂波天线附近产生的螺旋辐射带中的电流对等离子体边界磁拓扑产生影响,造成了打击点分离等类似RMP的效应,这对ITER上ELM的控制提供了一种新的选择方法。在这些ELM的控制方法中,V波段的反射仪都观察到了在ELM被抑制过程中等离子体密度剖面的变化。在这些数据中都可以看到边界密度梯度的减小,这可能表明ELM被缓解和边界密度梯度的减小有关,这也符合ELM的peeling-ballooning模型的描述。由于实验数据有限,无法进行稳定性分析,给出更确定的结论。  模拟方面的工作是用BOUT++模拟RMP对ELM的影响。在目前绝大多数的装置上(如DIII-D、JET以及MAST等)看到的实验现象是加上RMP之后,ELM的幅度会大幅的降低(缓解)或者ELM消失(抑制),但是在NSTX上的实验结果表明加上ELM之后会在ELM-free阶段触发ELM,而且触发ELM的频率随着RMP线圈中电流的增大而增加。因此通过建立合适的模型可以理解RMP对ELM缓解/抑制或者触发的物理机制。用BOUT++做为程序框架研究RMP对ELM的影响的基本思路是:先找到一组参数,使得ELM处于稳定状态(气球模的增长率为0),然后在这个平衡上加入RMP效应,通过模拟判断RMP对等离子体稳定性的影响。初步的结果表明在平衡的等离子体参数下加上RMP之后,气球模开始增长,变得不稳定。模拟的过程中发现在模拟的后期,等离子体的真空区域产生了非常大的平行电流,这可能是数值计算导致的,因而后期的计算结果并不准确,相关的改进工作正在有序进行。  在论文的最后简单介绍了一下在HT-7托卡马克用ECE等诊断研究反常多普勒共振效应,取得的一些结果。
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