CO相干湯姆遜小角激光散射診斷介紹

CO2相干湯姆遜小角激光散射診斷介紹及三月二十五日實驗數(shù)據(jù)初步分析

李亞東、李建剛、毛劍珊

OHBEAMS1050KWELECTRONS<6.3KJ>ION<5.7KJ>b--I570KWB--I430kW50KWfast-ionchargeexchange60KW100KW470KW40kw390Kw20kw40kwradiationThermalconvectionThermalconductionInternaldisruption<100kwTurbulence+othereffects>370kwChargeexchangeThermalconvectionThermalconduction托卡馬克裝置能量流動圖(ISX-B)

低頻密度微漲落首先由Mazzuato用微波相干散射方法于1976年在ATC上發(fā)現(xiàn)、隨后Surko和slusher用co2激光相干散射的方法在ATC也發(fā)現(xiàn)了寬頻、小尺度的密度漲落，實驗證明反常的電子能量損失過程是小尺度、擴散類型的過程。微漲落的幅度通常用混合長度來估計（盡管并不完全正確）。微漲落由線性增長、非線性增長、達到飽和。相對密度漲落~1/<K>Ln稱為混合長度估計，在這種情況下，一般認為密度擾動發(fā)展的足夠大，能在小范范圍內(nèi)抹平初始的密度梯度，它是漂移波自由能的源泉。或者說擾動的E×B漂移速度等于電子的逆磁漂移速度。達到飽和的湍流將由離子、電子康普頓效應、或與高階MHD作用等過程將能量轉移出去，因此微湍流并不導致等離子體的宏觀變化、僅僅產(chǎn)生反常輸運。Ln=-(d(lnn)/dr)-1在托卡馬克邊界為1~幾厘米，在芯部可達近無窮大。<k>在邊界一般為1~3cm-1而在芯部一般為3~10cm-1，因此1/<k>Ln在托卡馬克等離子體中心很小，相對密度漲落值中心一般為0.1~1%，邊界為10~100%。密度微漲落的一般尺度、特點CO2激光相干散射診斷信號的特點

電磁波相干散射的散射截面為σ=σ0S(k,w)

σ0=(e2/mc2)2--------thomsoncr0ss-section

S(k,w)=limv→∞2/VT｜ne（k,w）｜2

T→∞

k=ks-kiw=ws-wi

<｜n｜2>=(2π)-4∫S(k.w)dkdw

k譜為(2π)-1∫S(k.w)dw。在七十年代中期至八十中期，認為Kr,Kθ可比。

K┻在小環(huán)截面認為是相同性的。但K┻》K‖。隨著一批中型托卡馬克的建立，

診斷技術的提高，八十年代中期以后，人們發(fā)現(xiàn)Kr,Kθ并不可比，因而不在認為K┻

在小環(huán)截面的相同性。

頻譜為(2π)-3∫S(k.w)dk頻譜一般分為寬譜、窄譜。并且含有由于等離子旋轉產(chǎn)生的頻移。

寬譜認為各不相關K模的相互耦合作用，使頻譜展寬。w～△w～w*e

w*e=K┻CTe/(eBLn)------電子逆磁漂移頻率寬譜的型狀在各裝置、及各裝置的不同位置都不相同。早期的實驗根據(jù)有關的輸運模型，用高斯和洛侖茲線型做為比較。隨著裝置的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)差別越來越大，現(xiàn)在用的越來越少。但寬譜的幅值與裝置的約束改善還是存在一定的聯(lián)系。

窄譜根據(jù)其譜的窄度，認為各k模相關、或部分相關。H模、ITB、QDB等都在等離子內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了相干模--窄譜。窄譜一般認為反應了湍流結構的變化。這對研究托卡馬先進運行模式是十分重要的。

頻譜的研究可獲取能量輸運的信息。例如內(nèi)部等離子體湍流的實驗發(fā)現(xiàn)湍流一般不與低階MHD相關，但與高階MHD相關，由高階MHD在邊界的區(qū)域性可知，內(nèi)部等離子體湍流與輸運與邊界因素密切相關，托卡馬克等離子體內(nèi)部各模的相關、各漲落量的相關是一個十分大的課題。

托卡馬克密度漲落、約束改善及剖面梯度量分布的聯(lián)系密度漲落的頻譜在托卡馬克的內(nèi)外則是不同的，在外側一般是寬譜，寬譜的形狀各裝置的發(fā)現(xiàn)并不一致，在托卡馬克裝置內(nèi)側，其頻譜還有一定的相似性。并可用高斯或洛侖茲線型擬合，但結果并不滿意，一般試圖用通行粒子和束縛粒子來解釋內(nèi)外側頻譜的差異，當然還有別的因素。密度漲落的頻譜在托卡馬克裝置上下的幅值并不相同，在有的裝置上曾發(fā)現(xiàn)二者有十幾倍的差異。托卡馬克裝置等離子體小環(huán)和大環(huán)的不對稱性及其變化規(guī)律的問題是實驗物理的重要內(nèi)容。對于密度漲落的寬譜，實驗發(fā)現(xiàn)漲落幅值的減小，對應著托卡馬克等離子體約束的改善，即τe提高，這一般發(fā)生在τeq＞＞τe，即電子主導區(qū)域。對于密度漲落的窄譜，這個關系并不存在，例如在ITB期間，密度漲落的幅值變大，但頻譜變窄?？梢赃@樣理解，密度漲落的窄譜(部分相干譜)對應于湍流的結構，而湍流的結構對應于托卡馬克剖面梯度量分布的線型。因此托卡馬克剖面梯度量分布的線型決定了輸運，也決定了湍流的性質。托卡馬克裝置等離子體的輸運一般分為q<1芯部區(qū)ρq=1<ρ<0.8內(nèi)部區(qū)ρ>0.8邊界區(qū)Berlizovetalconcludedthatthetheanomalous‘conductivity’wasdeterminedbythreedifferentmechanismsinthreedistinctzonesoftheplasma<1>forq<1.Probablyconvectivetransportformthem=1interaldisruptiondominates<2>forthe‘maingradientregions’

betweentheq=1andq=2surface.Theinferredconductivityhasitslowestvalues<3>q>2theinferredconductiverisedramaticallyandmayberelatedtoMHDactivityassociatedwiththeq=2surfacewhichleadstoconvectivetransport

從八十年代到九十年代初期，關于托卡馬克等離子體內(nèi)部湍流和輸運的實驗研究表明，尋找普遍的適用的二者聯(lián)系是不成熟的。insteadwewillhavetorelyontestingvariousmodels,beingcarefulthatspatialasymmetriesarelookforandifpresentaccountedfor.becauseanunderstandingoftheturbulenceimpliesthatwehaveamodeltoexplainit.Therearethreereasonsmakeussayso:fistcomestheproblemofpossiblegeometricasymmetries,neitherapointnoralineofsightmeasurementofafluctuatingquantityisadequate.secondcomesthechoiceofapplicableturbulenceregime[flux（）2（）1or（）0inquasilinear、strongturbulenceandstochasticregimeshasbeenproposed]howeverweshouldbeabletodistinguishwhichistheapplicableregimefromthemeasurementoftheturbulencemicrostructureitself.Thirdothervaryingplasmaparameters(suchasTe)appearintherelationshipbetweenafluxortransportcoefficientandafluctuationlevel托卡馬克等離子體內(nèi)部的湍流和輸運

HomodyneopticstestandopticsarrangeinHT-7tokamakCO2LaserprobeBlockBeamsplitterPlasmaK=7~30cm-1FocalizeLensesFocalizeLensesCO2laserplasmaHe-NeLaserdetectorPowersupplyBlockGeZnSereflectorFocalizeLensesImagingmirror

HomodyneopticstestinHT-7tokamakGe

CO2相干湯姆遜小角散射儀機械框架示意圖CO2Lasersystem

鉬反射鏡布氏窗水冷水冷流動工作氣體流動工作氣體ZnSe輸出鏡鎳電極鎳電極能量輸出~10w模式TEM00線偏振輸出DetectorsystemHgCrTeprobepreamplifierHighpasserAmplifierFilterComputerLonglinetransportCO2激激光散射射原始信信號Ne=1.5E+19M-3k=8.8cm-1CO2激激光散射射原始信信號Ne=2.0E+19M-3k=11cm-1LHCD+ICH雜質逐漸漸增加條條件下芯芯部密度度漲落監(jiān)監(jiān)測芯部漲落落幅值與與密度相相關聯(lián)(無破裂裂及強MHD),頻譜譜線寬與與溫度相相關，與與軟x輻輻射強度度相關，，當石墨墨探針逐逐漸伸入入等離子子體、碳碳含量逐逐漸增加加，雜質質輻射增增強，等等離子體體溫度下下降，頻頻譜線寬寬逐漸變變窄、高高頻成份份逐漸降降低！K=12cm-160842原始始信號60842炮FFT變變換結果果Shot60843FFT變變換結果果Shot60844FFT變換結結果60842傅傅氏變換換結果680~880ms60843傅傅氏變換換結果680~880ms60844傅傅氏變換換結果680~880ms模式的變變化？密度漲落落頻譜的的寬度——般認為為反映了了湍流的的驅動力力強度，，溫度升升高，頻頻譜加寬寬，頻譜的高高頻成份份增加。。托卡卡馬克約約束改善善的本質質就是減減少湍流流的驅動動力，減減少反常常輸運的能能量損失失。因此此、無論論是H模模、還是是ITB模期間間，相應應的頻譜譜寬度都都變窄。。而密度漲漲落的幅幅值并不不一定變變小，下下面60836、60837兩炮在在550~850ms期間可可能存在模式的的變化。。K=12cm-160836FFT變換換結果注注意550~850ms60837FFT變換結果果注意意550~850ms60836傅氏氏變換結結果時時間段550~850ms60837傅氏氏變換結結果時時間段550~850ms444~454ms444~454msMHD幅幅值與芯芯部密度度漲落的的關聯(lián)一般認為為反常輸輸運與高高階MHD相關關，高階階MHD存在于于托卡馬馬克外層層等離子子體或邊邊界，低低幅值的的MHD與芯部部關聯(lián)不不大，高高幅值MHD可可導致破破裂，但但高幅值值MHD與芯部部密度漲漲落關聯(lián)聯(lián)的系統(tǒng)統(tǒng)實驗研研究文章章我未見見過，邊邊界與芯芯部漲落落、漲落落的低頻頻(MHD)與與高頻(相對)之間的的關系。。這是十十分有意意思的研研究課題題。本輪輪實驗觀觀察的許許多炮發(fā)發(fā)現(xiàn)低幅幅值MHD與芯芯部密度度漲落之之間并無無直接的的關聯(lián)。。Shot60861是充充分發(fā)展展的MHD振蕩蕩,芯部部密度漲漲落信號號分析二二者有關關聯(lián),但但頻譜的的波段顯顯然不同同。Shot60861電流爬坡坡實驗及及相應的的現(xiàn)象在密度不不變的條條件下，，電流爬爬升可產(chǎn)產(chǎn)生（1）等離離子體加加熱，（（2）模模式轉換換（3））其它物物理現(xiàn)象象60873炮在初初期有明明顯的加加熱效應應，頻譜譜逐漸加加寬。隨隨著一個個未知的的50~90kHz擾擾動的產(chǎn)產(chǎn)生（280~630ms）），加熱熱效應結結束。隨隨著擾動動的終結結，鋸齒齒振蕩開開始產(chǎn)生生。這個個擾動是是什么？？60873電流流爬升FFT變變換結果果60873傅氏氏變換56~180ms60873傅氏氏變換180~280ms60873傅傅氏變換280~380ms60873傅傅氏變換380~630ms60873傅傅氏變換630~823ms60873傅傅氏變換823~900ms充Ne實驗國外脈沖雜質質注入雜質實實驗顯示，初初期溫度下降降、頻譜變窄窄，大約—個個能量約束時時間后，頻頻譜線型回復復到原型。下下面是HT-7注入Ne的實驗頻譜譜線型的變化化。424~434ms充充Ne前前434~444ms充充Ne中444~454ms454~464ms464~474ms總結結CO2相干激激光散射儀經(jīng)經(jīng)過經(jīng)驗的摸摸索和實驗的的檢驗、證明明己能正常工工作。初步進行的實實驗有（1））等離子體密密度掃描及密密度爬升實驗驗（2）縱場場掃描實驗（3）LHCD+ICH實驗監(jiān)測(~70炮)（4）充Ne實驗、探探針實驗及其其它實驗；有效采集炮數(shù)數(shù)~240。。目前散射儀理理想工作的密密度是大于1E+19M-3，曾在~0.7E+19M-3下工作隨著儀器最佳佳工作參數(shù)的的確定，其工工作密度范圍圍將會拓寬。。散射儀還有許許多功能有待待拓廣（1））多K譜實時時監(jiān)測（2））空間多道監(jiān)監(jiān)測（3）非零頻頻外差(區(qū)分分湍流流向)感謝運行組老老師們的大力力支持，特別別是物理、運運行三組的支支持！9、靜夜四無無鄰，荒居居舊業(yè)貧。。。12月-2212月-22Tuesday,December20,202210、雨中黃葉樹樹，燈下白頭頭人。。17:42:1117:42:1117:4212/20/20225:42:11PM11、以我我獨沈沈久，，愧君君相見見頻。。。12月月-2217:42:1117:42Dec-2220-Dec-2212、故人人江海海別，，幾度度隔山山川。。。17:42:1117:42:1117:42Tuesday,December20,202213、乍見翻疑夢夢，相悲各問問年。。12月-2212月-2217:42:1117:42:11December20,202214、他鄉(xiāng)生生白發(fā)，，舊國見見青山。。。20十十二月20225:42:11下午午17:42:1112月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。。十二二月月225:42下下午午12月月-2217:42December20,202216、行行動動出出成成果果，，工工作作出出財財富富。。。。2022/12/2017:42:1117:42:1120December202217、做前前，能能夠環(huán)環(huán)視四四周；；做時時，你你只能能或者者最好好沿著著以腳腳為起起點的的射線線向前前。。。5:42:11下下午5:42下下午午17:42:1112月月-229、沒有失失敗，只只有暫時時停止成成功！。。12月-2212月-22Tuesday,December20,202210、很多事事情努力力了未必必有結果果，但是是不努力力卻什么么改變也也沒有。。。17:42:1117:42:1117:4212/20/20225:42:11PM11、成功就是是日復一日日那一點點點小小努力力的積累。。。12月-2217:42:1117:42Dec-2220-Dec-2212、世間成事事，不求其其絕對圓滿滿，留一份份不足，可可得無限完完美。。17:42:1117:42:1117:42Tuesday,December20,202213、不知知香積積寺，，數(shù)里里入云云峰。。。12月月-2212月-2217:42:1117:42:11December20,202214、意志堅堅強的人人能把世世界放在在手中像像泥塊一一樣任意意揉捏。。20十十二月20225:42:11下午午17:42:1112月-2215、楚塞三湘湘接，荊門門九派通。。。。十二月225:42下下午12月-2217:42December20,202216、少年十五五二十時，，步行奪得得胡馬騎。。。2022/12/2017:42:1117:42:1120December202217、空山新雨雨后，天氣氣晚來秋。。。5:42:11下下午5:42下下午17:42:1112月-229、楊楊柳柳散散和和風風，，青青山山澹澹吾吾慮慮。。。。12月月-2212月月-22Tuesday,December20,202210、閱讀一切切好書如同同和過去