EAST多道運動斯塔克效應診斷光譜模擬與實驗研究
發(fā)布時間：2020-11-10 18:21
在磁約束聚變等離子體物理研究中,安全因子(q)是基本物理參數之一,對等離子體輸運與磁流體不穩(wěn)定性問題的研究都有重要影響。運動斯塔克效應MSE(Motional Stark Effect)診斷通過直接測量磁場偏振角,結合平衡重建代碼EFIT能夠給出q分布。為了支持EAST多道MSE系統(tǒng)設計和硬件實現(xiàn),利用中性束束輻射光譜模擬程序ALCBEAM和NBASS完成了對EAST多道MSE系統(tǒng)的模擬。在EAST裝置上參與了多道MSE系統(tǒng)的研制,完成了系統(tǒng)的組裝與測試,測量了偏振角�；趯嶒灉y量的光譜,開展了初步光譜分析。多道MSE診斷系統(tǒng)是基于中性束注入NBI(Neutral Beam Injection)的主動測量,通過測量中性束與等離子體相互作用后輻射的特征譜線的偏振態(tài),來獲得偏振角。利用ALCBEAM和NBASS程序,本文從基本原理出發(fā),考慮中性束、收光系統(tǒng)、采集系統(tǒng)等因素對測量的影響,完成了對EAST多道MSE系統(tǒng)的模擬,獲得了中性束的衰減分布和MSE光譜。模擬結果顯示系統(tǒng)空間分辨率為0.9 cm～2.3 cm(邊界至芯部),驗證了設計的合理性。在偏振測量中,濾光片的中心波長與半高寬會影響透過濾光片的信號光偏振度,直接影響著輸出信號的信噪比。通過多道MSE診斷系統(tǒng)的模擬,給出了濾光片帶寬選擇和光透過率的關系,為濾光片參數設計提供參考。中性束的高壓變化將會引起濾光片的中心波長漂移,本論文還模擬了不同高壓下濾光片中心波長的漂移值。在EAST實驗中發(fā)現(xiàn),等離子體與多離子源中性束相互作用的過程中會產生嚴重的譜線疊加,增加了數據分析難度。采用ALCBEAM和NBASS代碼對多離子源中性束與等離子體相互作用過程進行了模擬,獲得了譜線疊加的閾值,以及較高信噪比時的中性束能量組合,為實驗放電提供了參考。基于上述模擬結果,參與了 EAST多道MSE系統(tǒng)的搭建與測試。該系統(tǒng)具有10個空間觀測通道,測量范圍沿著大半徑R=1.8～2.33 m,空間分辨率小于3 cm,時間分辨率10 ms,觀測的波長范圍為651～661 nm。前端集光鏡頭采用了低范德爾系數的ZF7玻璃,通過在反射鏡上鍍電介質膜,有效地減少對收集的偏振光偏振度的影響。利用兩塊快軸之間夾角為45°的光彈調制器PEM(photo-elastic modulator)將偏振光偏振信息調制為強度信息,并在 PEM 之后設置 一個22.5°的線偏振片,消除其它方向的偏振光。調制之后的信號經光纖傳輸到實驗室,通過4 nm的窄帶濾光片篩選出目標譜線。利用光電采集系統(tǒng)進行快速采集,而后經鎖相放大器提取出特定的二倍頻率分量的幅值,從而獲得偏振角信息。此外,利用雙耦合設計的光路系統(tǒng),將光纖傳導的光信號傳遞至光譜儀進行采集,獲得MSE譜線。MSE譜線σ與π分量之間的分裂值與磁場強度密切相關,利用實驗譜線分裂值,獲得了磁場強度分布。光譜測量值與線圈電流產生的總磁場基本一致,驗證了光譜法分析磁場在EAST裝置上的可行性,從而為等離子體控制提供參考。
【學位單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：TL631.24
【部分圖文】：
能源是人類發(fā)展歷程中必不可少的重要成??份，因此有必要尋求可再生能源。??於：＆?＃?Ｃｏａｆ?？?Ｏｉｌ?＃?Ｎａｔｕｒａｌ?９＾５?？?Ｎｕｃｌｅａｒ?Ｈｙｄｒｏ?ｉ?Ｂｉｏｆｕｅｌｓ?ａｎｄ?ｗａｓｔｅ?＃?Ｏｔｈｅｒ??Ｊ??：；：??—?．…??？?????＂ｉ?ｉ????；■??■＇，；ｉ，ｉ??ｉ??，?ｉ??＇Ｉ?＇?！??ｔｙｎ?ｗｎ?ｉｍｋ＞?＊ｓｆｓ６?＜９９〇?ａｏｏｔ?３ｃｉｏ?ｉｏｔｉ?ｓｅｎ＊??圖１．１表示不同種類能源全球消耗的消耗量與時間的關系??技術成熟的可再生能源，例如水力發(fā)電和地熱，相對清潔和可靠；然而，好??的地熱能非常有限，且分布不均。太陽能和風能可以更加便捷的收集，但受晝夜??溫差和季節(jié)變化影響，總的利用率比較低。核裂變能源是一種己被廣泛應用的技??術；然而，它有幾個問題：長壽命的放射性廢物和核電站事故導致放射性物質泄??漏風險。因此，目前現(xiàn)有的任何技術都不能完全滿足當今或未來的能源需求，需??要人類開始進一步的探索。??核聚變能是未來最有希望的能源之一�；陔暗暮司圩兎磻谝粌|度以上??的高溫度下能夠促使燃料核子克服庫侖斥力，發(fā)生核反應釋放大量的能量，并且??地球的海洋中蘊含著極為大量的氘，幾乎用不盡，反應產物放射性活度低，而且??與裂變反應堆相比不會產生核事故，具有天然的固有安全性。這些特性使聚變能??具有非常誘人的前景，并且自上世紀五十年代以來一直是全球能源研宄的主題之??一。迄今己經取得了很大的進展，并且正在建造一個大型實驗反應堆ＩＴＥＲ??１??
３）［５］。??〈〇＿ｖｒｅｌ〉＝?Ｊｃｒ（｜ｖ１－ｖ２｜）｜ｖ１－ｖ２｜／（ｖ１）／（ｖ２）ｄ３ｖ１ｄ３ｖ２?（１．２）??／?＼３／２?２??〔告）ｅｘｐ－等?（Ｌ３）??Ｄ－Ｔ反應達到最大反應截面的溫度為６８．６?ｋｅＶ［６］，當今的仍然沒有達到這個??溫度的裝置。ＩＴＥＲ的目標是運行在１５ｋｅＶ，ＤＴ的反應截面為最大值的３１％［７］。??ＩＣＲＦ或中性束加熱能產生非麥克斯韋分布的離子，包括高能量的快離子，能夠??提升反應截面。Ｄ－Ｔ，Ｄ－Ｄ和Ｄ３－Ｈｅ的聚變反應截面如下圖１．２所示。??ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?［ｋｅＶ］??１０°?１０１?１０２?１０３??３１０－２１Ｆ?＇?ｚ??ｆ：：：：??Ａｙ?１＝?〇：；?ｆ??＾?１０?２６?／?／?／?—?Ｄ－Ｈｅ３｜－??巴?１０?ｉ〇￣２?，—，?ｉｏ＿１?ｉｏ１５?ｌｏ１??ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?［ｂｉｌｌｉｏｎ?ｋｅｌｖｉｎｓ］??圖１．２不同聚變反應的反應截面ｍ??Ｄ－Ｔ反應會產生３．５?ＭｅＶ的ａ粒子或４Ｈｅ。因為這遠遠超過了等離子體溫??度，所以被稱為快離子或高能粒子。如果ａ粒子能夠在有限的范圍內，它們將通??過碰撞而減速，加熱等離子體。這能夠減少輔助加熱，并改善所需的加熱功率提??高反應堆的效率。當條件合適，ｃｔ粒子可以提供聚變反應的所有的加熱功率，反??應就可以自我維持。我們稱這種情況為點火，稱等離子體為燃燒等離子體。然而，??隨著反應的進行，氦灰的積累將會稀釋燃料，減緩反應，以及增加雜質濃度，導??３??
?第一章緒論???致能量致?lián)p失。因此，在穩(wěn)態(tài)反應堆中，了解和控制氦離子的輸運很重要。??托卡馬克是一種具有環(huán)對稱結構的磁約束聚變裝置。托卡馬克中間是圓柱形??的螺線管與加熱場線圈組成歐姆變壓器對氣體加熱產生等離子體形成等離子體??電流，同時外加沿著真空室環(huán)行方向分布的縱場線圈內部產生環(huán)向磁常等離子??體電流產生極向磁場與環(huán)向磁場，形成了疊加的磁場，從而對等離子體產生約束。??托卡馬克的基本組成如圖１．３所示。??Ｔｏｒｏｉｄａｌ?ｆｉｅｌｄ?ｃｏｉｌｓ?？?－?Ｐｏｓｉｔｉｏｎ?ｃｏｎｔｒｏｌ?ｃｏｉｌｓ??二?ＩＳｉＢＩ??（ｎｅｓｔｅｄ）?｜｜??Ｐｒｉｍａｒｙ?ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ?Ｖａｃｕｕｍ?ｖｅｓｓｅｌ??ｃｏｉｌｓ??圖１．３托卡馬克結構示意圖??托卡馬克是蘇聯(lián)科學家在二十世紀五十年代提出并建造的，世界上第一個托??卡馬克裝置是Ｔ－ｌ［８］，之后建造的Ｔ－３裝置達到了?１?ｋｅＶ和電子密度１０１３ＣｎＴ３［９］，??為核聚變研究提供了一種有前景的技術路線。國內外從事核聚變研究的同行開始??了建造托卡馬克裝置，美國陸續(xù)建成了?ＰＢＸ－Ｍ［１Ｑ］、ＴＦＴＲ１１１］、ＡｌａｃｔｏｒＣ－Ｍｏｄ［１２］、??ＤＩＩＩ－Ｄ［１３］；英國建設了?ＪＥＴ［Ｉ４］；德國發(fā)展了?ＡＳＤＥＸ【１５］，日本建設了以ＪＴ－６０Ｕ為??主的多個托卡馬克裝置［１６］。??國內主要從事核聚變與等離子體物理研宄的單位有：中國科學院等離子體物??理研宄所，核工業(yè)西南物理研宄院，中國科學技術大學，華中科技大學，大連理??工大學，清華大學等。中國的核聚變研宄主要以托卡馬克為主，現(xiàn)有的主要裝置??有合肥的ＥＡＳＴｍ，成都的ＨＬ
【參考文獻】
本文編號：2878216
【學位單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：TL631.24
【部分圖文】：
能源是人類發(fā)展歷程中必不可少的重要成??份，因此有必要尋求可再生能源。??於：＆?＃?Ｃｏａｆ?？?Ｏｉｌ?＃?Ｎａｔｕｒａｌ?９＾５?？?Ｎｕｃｌｅａｒ?Ｈｙｄｒｏ?ｉ?Ｂｉｏｆｕｅｌｓ?ａｎｄ?ｗａｓｔｅ?＃?Ｏｔｈｅｒ??Ｊ??：；：??—?．…??？?????＂ｉ?ｉ????；■??■＇，；ｉ，ｉ??ｉ??，?ｉ??＇Ｉ?＇?！??ｔｙｎ?ｗｎ?ｉｍｋ＞?＊ｓｆｓ６?＜９９〇?ａｏｏｔ?３ｃｉｏ?ｉｏｔｉ?ｓｅｎ＊??圖１．１表示不同種類能源全球消耗的消耗量與時間的關系??技術成熟的可再生能源，例如水力發(fā)電和地熱，相對清潔和可靠；然而，好??的地熱能非常有限，且分布不均。太陽能和風能可以更加便捷的收集，但受晝夜??溫差和季節(jié)變化影響，總的利用率比較低。核裂變能源是一種己被廣泛應用的技??術；然而，它有幾個問題：長壽命的放射性廢物和核電站事故導致放射性物質泄??漏風險。因此，目前現(xiàn)有的任何技術都不能完全滿足當今或未來的能源需求，需??要人類開始進一步的探索。??核聚變能是未來最有希望的能源之一�；陔暗暮司圩兎磻谝粌|度以上??的高溫度下能夠促使燃料核子克服庫侖斥力，發(fā)生核反應釋放大量的能量，并且??地球的海洋中蘊含著極為大量的氘，幾乎用不盡，反應產物放射性活度低，而且??與裂變反應堆相比不會產生核事故，具有天然的固有安全性。這些特性使聚變能??具有非常誘人的前景，并且自上世紀五十年代以來一直是全球能源研宄的主題之??一。迄今己經取得了很大的進展，并且正在建造一個大型實驗反應堆ＩＴＥＲ??１??
３）［５］。??〈〇＿ｖｒｅｌ〉＝?Ｊｃｒ（｜ｖ１－ｖ２｜）｜ｖ１－ｖ２｜／（ｖ１）／（ｖ２）ｄ３ｖ１ｄ３ｖ２?（１．２）??／?＼３／２?２??〔告）ｅｘｐ－等?（Ｌ３）??Ｄ－Ｔ反應達到最大反應截面的溫度為６８．６?ｋｅＶ［６］，當今的仍然沒有達到這個??溫度的裝置。ＩＴＥＲ的目標是運行在１５ｋｅＶ，ＤＴ的反應截面為最大值的３１％［７］。??ＩＣＲＦ或中性束加熱能產生非麥克斯韋分布的離子，包括高能量的快離子，能夠??提升反應截面。Ｄ－Ｔ，Ｄ－Ｄ和Ｄ３－Ｈｅ的聚變反應截面如下圖１．２所示。??ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?［ｋｅＶ］??１０°?１０１?１０２?１０３??３１０－２１Ｆ?＇?ｚ??ｆ：：：：??Ａｙ?１＝?〇：；?ｆ??＾?１０?２６?／?／?／?—?Ｄ－Ｈｅ３｜－??巴?１０?ｉ〇￣２?，—，?ｉｏ＿１?ｉｏ１５?ｌｏ１??ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?［ｂｉｌｌｉｏｎ?ｋｅｌｖｉｎｓ］??圖１．２不同聚變反應的反應截面ｍ??Ｄ－Ｔ反應會產生３．５?ＭｅＶ的ａ粒子或４Ｈｅ。因為這遠遠超過了等離子體溫??度，所以被稱為快離子或高能粒子。如果ａ粒子能夠在有限的范圍內，它們將通??過碰撞而減速，加熱等離子體。這能夠減少輔助加熱，并改善所需的加熱功率提??高反應堆的效率。當條件合適，ｃｔ粒子可以提供聚變反應的所有的加熱功率，反??應就可以自我維持。我們稱這種情況為點火，稱等離子體為燃燒等離子體。然而，??隨著反應的進行，氦灰的積累將會稀釋燃料，減緩反應，以及增加雜質濃度，導??３??
?第一章緒論???致能量致?lián)p失。因此，在穩(wěn)態(tài)反應堆中，了解和控制氦離子的輸運很重要。??托卡馬克是一種具有環(huán)對稱結構的磁約束聚變裝置。托卡馬克中間是圓柱形??的螺線管與加熱場線圈組成歐姆變壓器對氣體加熱產生等離子體形成等離子體??電流，同時外加沿著真空室環(huán)行方向分布的縱場線圈內部產生環(huán)向磁常等離子??體電流產生極向磁場與環(huán)向磁場，形成了疊加的磁場，從而對等離子體產生約束。??托卡馬克的基本組成如圖１．３所示。??Ｔｏｒｏｉｄａｌ?ｆｉｅｌｄ?ｃｏｉｌｓ?？?－?Ｐｏｓｉｔｉｏｎ?ｃｏｎｔｒｏｌ?ｃｏｉｌｓ??二?ＩＳｉＢＩ??（ｎｅｓｔｅｄ）?｜｜??Ｐｒｉｍａｒｙ?ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ?Ｖａｃｕｕｍ?ｖｅｓｓｅｌ??ｃｏｉｌｓ??圖１．３托卡馬克結構示意圖??托卡馬克是蘇聯(lián)科學家在二十世紀五十年代提出并建造的，世界上第一個托??卡馬克裝置是Ｔ－ｌ［８］，之后建造的Ｔ－３裝置達到了?１?ｋｅＶ和電子密度１０１３ＣｎＴ３［９］，??為核聚變研究提供了一種有前景的技術路線。國內外從事核聚變研究的同行開始??了建造托卡馬克裝置，美國陸續(xù)建成了?ＰＢＸ－Ｍ［１Ｑ］、ＴＦＴＲ１１１］、ＡｌａｃｔｏｒＣ－Ｍｏｄ［１２］、??ＤＩＩＩ－Ｄ［１３］；英國建設了?ＪＥＴ［Ｉ４］；德國發(fā)展了?ＡＳＤＥＸ【１５］，日本建設了以ＪＴ－６０Ｕ為??主的多個托卡馬克裝置［１６］。??國內主要從事核聚變與等離子體物理研宄的單位有：中國科學院等離子體物??理研宄所，核工業(yè)西南物理研宄院，中國科學技術大學，華中科技大學，大連理??工大學，清華大學等。中國的核聚變研宄主要以托卡馬克為主，現(xiàn)有的主要裝置??有合肥的ＥＡＳＴｍ，成都的ＨＬ
【參考文獻】
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1 胡純棟;謝亞紅;謝遠來;劉勝;許永建;梁立振;蔣才超;盛鵬;顧玉明;李軍;劉智民;;Overview of Development Status for EAST-NBI System[J];Plasma Science and Technology;2015年10期
2 李強;;HL-2A托卡馬克裝置的工程和實驗概況[J];原子能科學技術;2009年S2期
3 周軍;光彈調制器應用的Mueller矩陣分析[J];常熟高專學報;2001年04期
本文編號：2878216
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