阿爾芬波與球形托卡馬克電漿耦合的研究

《阿爾芬波與球形托卡馬克電漿耦合的研究》是依託清華大學，由譚熠擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：阿爾芬波與球形托卡馬克電漿耦合的研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：譚熠
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

阿爾芬波與電漿良好的耦合是在SUNIST球形托卡馬克上開展阿爾芬波電流驅動（AWCD）實驗的前提。通過改變放電條件，對環向磁場、電漿電流、電子密度、射頻源的工作頻率以及天線的激勵相位等參數進行系統的掃描，可以在尋找最佳的工作參數區間的同時，獲得球形托卡馬克電漿的阿爾芬波阻抗譜，並初步了解強形變電漿中的各種阿爾芬本徵模式。利用SUNIST裝置放電的特點，可以跟蹤環徑比連續變化的過程中天線負載阻抗的演變，研究天線的耦合效率與環徑比的關係；並與天線的設計指標對比，檢驗一維MHD計算的適用範圍。結合微波反射計、靜電探針以及光譜儀，在獲得天線附近的密度分布擾動以及雜質演化的基礎上，我們還希望較深入地探討射頻鞘層與天線耦合效率之間的聯繫以及其中的物理機制，並通過調節天線限制器位置、激勵相位等手段尋找最佳化耦合的方案。

結題摘要

經過本項目的研究，我們較為全面地了解了阿爾芬波與球形托卡馬克電漿的耦合特性。 通過測量天線的負載阻抗，可以間接了解阿爾芬波與電漿的耦合特性。天線的阻抗通過射頻電壓除以射頻電流得到，包含實部和虛部兩個部分。其中，實部反映了射頻波在電漿中的能量沉積，是我們最為關注的部分。在安裝氮化硼天線限制器前，我們得到了裸天線的射頻阻抗譜。通過與MHD計算結果進行對比，我們發現兩者在趨勢上非常相似。這意味著，沒有安裝限制器的天線，與電漿耦合非常緊密，阻抗譜呈現出與一維MHD計算結果較為一致的特徵，可以根據計算較好地預測耦合程度，為實驗提供指導。 但是，從射頻源受到電漿的擾動而停振以及碳、氧雜質譜線的增加等現象可以看出，無限制器的裸天線是無法真正用於大功率的加熱或者電流驅動實驗的。為此，我們給天線安裝了由氮化硼板組成的限制器。通過改變環向磁場的強度和工作氣體，我們對安裝限制器以後天線阻抗的特性進行了了解。天線在有電漿情況下的實阻抗明顯高於真空條件下的實阻抗。此外，氦電漿的實阻抗也要稍微高於氫電漿。我們推測，這是由於目前我們放電的電漿電子密度稍微低於共振要求的密度導致的。較重的氦核彌補了密度的不足，使得電漿更加接近於共振條件。另外還應該看到的是，安裝限制器以後，天線阻抗隨磁場（與調節頻率的意義一樣）的變化幅度明顯小於無限制器時的結果。這意味著電漿參數的變化與天線阻抗的關係較弱，或者說此時天線與電漿的耦合明顯弱於無限制器的情況。這種結果可能與我們目前安裝的天線限制器過於靠近電漿有關係。這種安裝可以對天線形成較為完善的保護，但卻大幅減弱了天線與電漿之間的耦合。 項目原計畫研究耦合與電漿大小半徑的關係，但在實際的實驗過程中我們發現，隨著電漿大小半徑的收縮，電漿與天線之間的距離逐漸增加，耦合迅速減弱至無法測出的水平，因此，這部分內容目前沒有得到有效的結果，但我們已經提出了解決辦法，可在未來繼續研究。