提高等離子體密度抑制逃逸電子束不穩定性的實驗研究

竹錦霞

(四川文理學院物理與機電工程學院，達州635000)

1 引 言

托卡馬克等離子體中的電子不僅受到碰撞阻尼力，還受到環向電場的加速作用. 當電子的熱速度超過電子逃逸的閾值時，電子成為逃逸電子.在環向電場加速作用下，麥克斯維爾分布的電子分布有著高能尾部存在. 在等離子體破裂或者低密度放電條件下通常都形成高通量的逃逸電子［1-2］. 托卡馬克中逃逸電子能量相當高，能量可達數十MeV，高通量的逃逸電子會嚴重損壞裝置第一壁材料. 研究逃逸電子的產生，約束以及損失行為，是下一代裝置穩定運行的基礎.

逃逸電子束不穩定性(REBI)會影響逃逸電子的能量極限以及約束時間. 在國內外托卡馬克裝置上，對逃逸電子束的不穩定性進行了相關研究［3-5］. 本文利用ECE 電子回旋輻射和Ha 線輻射等托卡馬克物理診斷系統，研究了Slide -away放電模式中提高等離子體密度對非麥克斯維爾分布的逃逸電子所激發的逃逸電子束不穩定性影響作用.

2 逃逸電子束的不穩定性

在托卡馬克等離子體中，由于環形電場的存在，等離子體中逃逸電子的分布函數是非麥克斯韋分布的，逃逸電子具有自由能，這個自由能可以與等離子體振蕩或者波發生共振. 當達到閾值能量，就會發生不穩定性. 共振條件為:

ωk- nωce= k//ν//(1)式中，ωce為逃逸電子回旋頻率，n 共振階數，k//為波的平行矢量大小，ν//逃逸電子平行速度. 當n=0 稱為切倫赫夫共振(Cerenkov)，n ＜0 為反常多譜勒共振(anomalous Doppler)，n ＞0 為多譜勒共振(normal Doppler). 由于反常多譜勒共振的發生，逃逸電子的平行能量轉化為垂直能量，垂直能量的增加，增大了逃逸電子的螺旋角和同步輻射功率，使得逃逸電子的能量降低. 由于存在環電壓，逃逸電子又被環電壓加速. 此過程是不斷重復的過程. 逃逸電子束不穩定性的形成是由于在電場作用下等離子體電子分布函數畸變.

3 實驗結果與討論

由于逃逸電子的相對論效應，它下移(downshifted)后的回旋頻率會被ECE 系統的二次諧波接受，因而ECE 電子回旋輻射診斷可以用來監測高能電子分布. ECE 電子回旋輻射包含熱電子以及超熱電子的貢獻，低能逃逸電子由于相對論效應其回旋輻射也在ECE 系統的測量范圍，由于它測量的是約束在等離子體內的逃逸電子，它相對于硬X 射線監測更直觀. 本論實驗主要利用ECE電子回旋輻射診斷研究REBI.

典型的Slide-away 放電No. 93012 如圖1 所示. 在整個放電過程中，等離子體電流保持為IP=75kA. 當放電到0.77s 時，等離子體密度達到閾值，放電進入超熱放電狀態. 此時ECE 輻射強度迅速增長到一個較高水平，由于超熱電子分布增多，等離子體電流由超熱電子攜帶，環電壓下降，Ha 下降，等離子體約束變好.

圖1 No. 93012 Slide-away 放電波形(a)等離子體電流(b)等離子體線平均密度(c)等離子體表面環電壓(d)等離子體芯部ECE 輻射強度(e)等離子體邊界Ha 輻射強度Fig.1 Waveforms of Slide-away discharge No. 93012(a)the plasma current，(b)the central line-averaged density， (c)the loop voltage， (d)the ECE emission intensity，(e)Ha emission intensity in arbitrary units

圖2 No. 93012 放電等離子體芯ECE 輻射強度演變波形Fig.2 Time trace of ECE emission intensity in short No.93012

圖2 為No. 93012 放電等離子體芯ECE 輻射強度演變波形圖. 不穩定性的特點是逃逸垂直能量參數的弛豫，在0.77s ECE 輻射強度迅速增長到一個較高水平后，ECE 信號出現了高頻率小振幅的振蕩，這說明了電子的垂直能量呈周期性分布. ECE 信號的指數增加表明了放電進入了Slide-away 放電.

圖3 No. 93013 Slide-away 放電中提高等離子體密度放電波形(a)等離子體電流(b)等離子體線平均密度(c)等離子體表面環電壓(d)等離子體芯部ECE 輻射強度(e)等離子體邊界Ha 輻射強度Fig.3 Waveforms of Slide-away discharge No. 93013(a)the plasma current，(b)the central line-averaged density， (c)the loop voltage， (d)the ECE emission intensity，(e)Ha emission intensity in arbitrary units

等離子體密度是等離子體參量中重要參量之一，在等離子體放電過程中等離子體密度的改變對逃逸電子的行為有強的影響作用［6-7］. 在典型的Slide-away 放電過程中，提高等離子體密度對逃逸電子束的不穩定性同樣有重要影響作用. 圖3為No. 93013 放電波形，它與No. 93012 的初始放電參數一致，但在放電進入了Slide -away 放電狀態后，通過充入工作氣體提高了等離子體密度.從圖3 可見，在0.68s 時，ECE 信號呈臺階式增長，環電壓下降，Ha 下降，等離子體約束變好.在0.8s 時通過充入工作氣體，等離子體密度呈不斷上升趨勢，而此時ECE 信號迅速下降，環電壓逐漸上升，Ha 上升表明了逃逸電子束的不穩定性得到抑制.

圖4 所示在0.68s 時ECE 輻射強度突然臺階式增長到一個較高水平后，ECE 信號出現了高頻率小振幅的振蕩，在0.8 s 時等離子體密度增加了，不僅ECE 輻射強度迅速下降，而且ECE 信號的振蕩頻率和振幅都相對減小. 說明了在Slide -away 放電過程中，提高等離子體密度抑制了逃逸電子束的不穩定性.

圖4 No. 93013 放電等離子體芯ECE 輻射強度演變波形Fig.4 Time trace of ECE emission intensity in short No.93013

4 結 論

非麥克斯維爾分布逃逸電子會激發逃逸電子束不穩定性. 利用ECE 電子回旋輻射和Ha 線輻射等，研究了Slide-away 放電中提高等離子體密度對非麥克斯維爾分布的逃逸電子所激發的逃逸電子束不穩定性影響作用. 實驗結果表明:在Slide-away 放電模式下，提高等離子體密度能有效抑制逃逸電子束的不穩定性.

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