托卡马克边缘丝状结构统计特性研究

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丝状结构是一种广泛存在于托卡马克的边缘及等离子体刮削层(Scrape Off Layer,SOL)的阵发性高温高密度结构。其空间尺度相对于湍流等扰动结构较大。在径向和极向上,其空间尺度能够达到几个毫米甚至几个厘米,在径向上该结构沿磁力线延展,相关长度可达到几十米。由于该结构的存在时间较长,可以达到数十甚至几百个微秒,足以将其内部携带的粒子和能量输运至托卡马克的第一壁。故一般认为,丝状结构是托卡马克边缘和SOL区域粒子输运的主要贡献者之一。由于其输运方向基本上为径向输运,故该结构会对托卡马克装置的第一壁造成较为严重的威胁。在边缘局域模(Edge Localized Mode,ELM)下产生的大尺度丝状结构——ELM-filament更是会造成聚变等离子体的大量能量和粒子损失。对于该结构的特性研究以及对该结构,尤其是大尺度的ELM-filament的缓解、抑制,是目前国际热核聚变堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)的重点研究内容之一。在环流器二号A(HL-2A)装置上,我们利用静电探针阵列,获取等离子体的边缘以及SOL等离子体参数。通过条件平均的这一统计方法,对探针时序信号中的丝状结构进行提取,并给出指定时间段内丝状结构的统计性特征。通过对不同位形的探针阵列的数据进行进一步的综合分析,我们能够得到丝状结构的其他统计特征:通过3?3阶梯式探针阵列,我们能够较为精确的得到丝状结构的在边缘及SOL区域的径向传播速度,在这一过程中,我们也证实了丝状结构,乃至整个边缘及SOL区域,等离子体的极向温度梯度极小,是可以忽略的;通过1?12极向耙式探针的数据,我们对丝状结构的二维空间分布特征进行了反演,得到了丝状结构的电位、径向速度在极向-径向二维坐标系下的空间分布特征。此外,结合超声分子注入(Supersonic Molecular Beam Injection,SMBI)的功率信号,我们也能够初步的观察到ELM-filament的缓解作用。对比加料前后ELM-filament的统计数据,能够清楚的看到SMBI对ELM-filament的缓解作用。
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