强激光与粒子束
2024, 36(2): 025012
1 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院 合肥 230026
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，面处等离子体压强梯度，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，与锯齿幅度和面处等离子体压强梯度变化趋势大体上一致；要改变面半径，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面半径的变化可能对锯齿行为有一定的影响。
东方超环 离子回旋频率波加热 锯齿模 EAST tokamak Ion cyclotron resonance frequency (ICRF) Sawtooth oscillation
中国科学院合肥物质科学研究院, 等离子体物理研究所, 安徽 合肥 230031
边界杂质注入是未来聚变装置ITER用于增强边界辐射, 减少第一壁热负荷的一种重要方法。 但部分注入的杂质会被输运到芯部, 造成主等离子体辐射损失以及约束下降。 光谱观测可以获取杂质种类、 含量和分布等信息, 在理解等离子体中杂质输运方面起着重要作用。 在EAST(experimental advanced superconducting tokamak)偏滤器氩气(Ar)注入实验中, 利用偏滤器可见光谱和芯部极紫外光谱监测边界的Ar1+离子谱线Ar Ⅱ(401.36 nm)和芯部的Ar15+离子谱线Ar ⅩⅥ(35.39 nm), 并获得两者强度随时间的变化。 其中, Ar Ⅱ和Ar ⅩⅥ的电离能分别为27和918 eV, 因此, Ar Ⅱ和Ar ⅩⅥ分别对应分布于等离子体边界和芯部Ar离子。 为了分析二者谱线强度随时间变化的特征, 发展了一种基于正则Pearson积矩相关系数的相关分析方法, 计算得到两者谱线强度变化的相对延迟时间, 以此表征杂质从边界向芯部输运的时间。 结果显示, 偏滤器注入Ar杂质后, 芯部Ar ⅩⅥ辐射增长滞后于边界Ar Ⅱ辐射的增长, 并且在具有较高的低杂波加热功率的放电中, 两者的延迟时间较长, 表明较高的低杂波加热功率可以延长杂质从边界向芯部输运的时间。
杂质注入 延迟时间 相关分析 EAST托卡马克 Impurity seeding Delay time Correlation analysis EAST tokamak 光谱学与光谱分析
2022, 42(11): 3507
1 南华大学 衡阳 421001
2 核工业西南物理研究院 成都 610041
磁约束核聚变托卡马克装置来自芯部的高强热流与偏滤器靶板相互作用，不但会直接影响偏滤器寿命，同时会产生大量杂质影响等离子体芯部性能，而抽气是控制等离子体密度和杂质密度的重要手段。本文基于环流2号托卡马克（HL-2A）装置利用SOLPS-ITER程序研究了不同上游电子密度条件下抽气对偏滤器靶板热负载的影响。通过密度扫描发现在脱靶阈值（
）附近抽气对靶板热负载影响更大，在抽气速率分别为12 m
3·s
-1、36 m
3·s
-1和96 m
3·s
-1时，外靶板脱靶阈值和热负载峰值分别为无抽气条件下的1.11、1.24、1.39倍和1.37、1.96、2.54倍。进一步从原子分子碰撞过程分析了
ne，sep=0.19×10
19m
-3、0.6×10
19m
-3、0.9×10
19m
-3上游密度条件下抽气对偏滤器区等离子体和中性粒子参数分布的影响，发现在脱靶后密度条件下抽气会使氘分子密度明显降低，碰撞反应损耗的能量降低，从而导致靶板等离子体温度和能流增加。
非相干激光汤姆逊散射诊断只需要假设电子速度满足Maxwell分布, 测量得到的等离子体电子温度与电子密度的数据准确可靠, 是托卡马克和其他磁约束核聚变研究装置上重要的诊断工具, 并朝着高可靠性、 高空间分辨和高重复测量频率的方向发展, 其中高可靠性是前提。 电子的汤姆逊散射截面很小, 其总截面为σT=6.65×10-25 cm2, 通常使用电光调Q的 Nd∶YAG激光器作为散射光源, 激光脉冲宽度约10 ns、 脉冲能量约3 J, 用5~8通道的光谱仪对散射光谱进行测量与分析。 如何对光电探测模块输出的散射脉冲进行数据采集, 是激光散射诊断的关键问题之一。 以前使用电流积分式的数据采集器(Q-ADCs, 如CMC080模块), 在一个确定的时间宽度(如50 ns)将散射脉冲信号积分在采样电容器上, 从而得到散射信号的强度值, 这种方法很难排除电路噪声和外来干扰。 该研究通过使用高速数据采集器(纵向分辨率≥10 bits、 采样频率f≥1 GS·s-1, 如V1742B模块)在包含散射信号在内的时间段(如300~500 ns)进行采集, 获得散射脉冲信号、 等离子体发光的扰动与背景噪声等叠加在一起的数据序列。 利用最小二乘法, 用高斯函数对散射脉冲的波形进行拟合, 然后在50 ns时间宽度对散射波形脉冲进行数值积分, 就得到散射信号的强度值。 结果表明, 高速同步采集技术的使用, 能够用数字滤波技术排除大部分的干扰, 从而提高信噪比, 其幅度可以达到10倍左右。 提取到更加准确可靠的光谱数据后, 以置信水平95%、 误差权重的最小二乘法开展数据处理, 用A.C. Selden散射谱表达式对电子温度进行参数估计, 得到了电子温度的测量值, 其统计误差为3%左右, 优于以前的10%左右。
汤姆逊散射 高温等离子体 Nd∶YAG激光器 散射光谱 电子温度 Thomson Scattering High-temperature plasma Nd∶YAG laser HL-2A tokamak Electron temperature
1 中国科学院 等离子体物理研究所, 电源及控制工程研究室, 合肥 230031
2 中国科学技术大学 科学岛分院, 合肥 230026
为了适应核聚变实验的要求, 在下一代托卡马克的设计中需要变流器输出瞬时高强度脉冲电流为大型电气设备提供动热稳定等型式试验。提出一种将电源系统阻抗等效到整流变压器二次侧并结合变流器两端电压变化关系的方法, 建立了大功率变流器的等效电路模型。在不同电气参数下计算得出了相应的多台变流器并联的总输出电流。以1000 kA为目标, 给出了符合条件的电气参数计算过程和结果。该结果作为给定参数下的极限条件, 使得在大功率变流器脉冲电流设计时有了最低设计阈值, 为后续的变流器器件选型和结构设计奠定了基础。
核聚变 变流器 脉冲电流 阻抗 托卡马克 nuclear fusion converter pulsed current impedance tokamak 强激光与粒子束
2019, 31(3): 036003
核工业西南物理研究院 聚变科学所, 成都 610041
人工神经网络是一种强大的非线性数据分析算法, 其中的感知器神经网络第一次被用于处理HL-2A装置上汤姆逊散射系统的电子温度数据。采用输入层、隐藏层和输出层等三层神经网络结构, 输入层为标定数据或测量数据, 隐藏层使用sigmoid函数作为传递函数, 输出层为电子温度值。从数据处理结果可以看出, 该计算方法与传统的χ2最小值方法计算的结果吻合, 能够得到可靠的电子温度数据。而且由于计算温度时采用矩阵计算, 计算速度比使用χ2最小值法提高20倍以上, 为将来利用汤姆逊散射测量的电子温度数据实现等离子体剖面实时反馈控制提供了可能。
汤姆逊散射 神经网络 数据处理 电子温度 HL-2A托卡马克 Thomson scattering neural network data processing electron temperature HL-2A Tokamak 强激光与粒子束
2019, 31(2): 022003
Author Affiliations
Abstract
Institute of Fusion Science, School of Physical Science and Technology, Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan 610031, China
In this paper, we analyze the modification of fast particles on the nonlinear radial displacement of m = 1 internal kink mode with a shoulderlike equilibrium current theoretically. Using the matching method on the solutions of the outer and inner regions, we derive the analytical form of nonlinear radial displacement in the limit of q' = q" = 0, which is valid to the cases of weak shear due to a slight flattening of the q(r) profile around q = 1. We have taken into consideration the effects of the circulating and trapped fast particles on the nonlinear state of the mode. It is found that a fast particle can modify the nonlinear saturation level by the change of potential energy, depending on the fast particle properties. By the matching of linear dispersion relation to early nonlinear result, we also obtain the relations of radial displacement to the mode frequency and linear growth rate, and discuss the scaling for different stabilities of the MHD modes.
Tokamak Magnetohydrodynamics Weak magnetic shear Internal kink mode Fast particle Matter and Radiation at Extremes
2018, 3(5): 243
1 中国科学院 等离子体物理研究所, 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 合肥 230027
设计了一个基于实验物理及工业控制系统(EPICS)实时测控的伺服电源控制器, 并将其插入现有脉冲电源测试。该电源控制器采用死区时间调制(DTM)技术伺服跟踪外部控制信号以连续调节所需输出电流, 这可确保开关管工作在近似零电流关断的状态下,开关损耗小, 电源效率高。对该电源及其控制器原理进行了介绍, 对DTM法进行了理论分析与研究, 并通过Matlab仿真和实验验证了其原理的正确性和可行性。
数字脉冲电源控制器 死区时间调制法 Tokamak电源技术 Matlab仿真 digital pulse power supply controller EPICS experimental physics and industrial control system dead time modulation method Tokamak power supplier Matlab simulation 强激光与粒子束
2018, 30(2): 025002
1 中国科学院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230031
3 General Atomics, P.O. Box 85608, San Diego, California 92186, USA
在托卡马克偏滤器区域充入杂质气体是检验偏滤器杂质屏蔽效应的重要手段。 利用快速极紫外EUV光谱仪对EAST托克马克装置上开展的偏滤器Ar杂质注入实验进行观测。 结合NIST原子光谱数据库对2～50 nm范围内不同电离态Ar的线光谱进行了谱线识别, 识别出Ar Ⅳ, Ar Ⅸ-Ⅺ, Ar ⅩⅣ-ⅩⅥ等若干个电离态的谱线。 为了同时观测等离子体不同区域的Ar杂质行为, 在杂质注入实验时重点监测Ar ⅩⅥ35.39 nm(Ar ⅩⅥ电离能918.4 eV, 主要分布在等离子体芯部)和Ar Ⅳ44.22 nm(Ar Ⅳ电离能9.6 eV, 主要分布在等离子体边界)这两条谱线。 利用该两条谱线强度随时间演化的结果初步分析了偏滤器杂质屏蔽效应。 在同一充气口不同等离子体位形下的实验结果表明偏滤器对于从偏滤器区域注入Ar杂质的屏蔽效果优于从主等离子体区域注入, 并且下偏滤器及内冷泵的综合粒子排除能力优于上偏滤器。
Ar极紫外光谱 EAST托克马克 偏滤器 杂质屏蔽 Ar extreme ultraviolet spectra EAST Tokamak Divertor Impurity screening 光谱学与光谱分析
2016, 36(7): 2134
