HT 7低杂波功率谱与波耦合及电流驱动效率相关性研究 EAST.ppt

HT-7低杂波功率谱对波耦合及电流驱动效率相关性研究 沈慰慈 HT-7低杂波电流驱动研究的主要目标 利用低杂波电流驱动实现超导托卡马克的长脉冲、高约束运行 实验目的 优化HT-7 LHCD实验参数，进一步提高低杂波功率耦合及电流驱动效率，为长脉冲、高参数等离子体放电提供实验平台。 利用低杂波电流驱动控制等离子体分布，实现高电子/离子温度、高约束和具有先进等离子体位形如（ITB、负磁剪切）的放电。 研究背景 低杂波电流驱动要求天线在等离子体大环方向上具有不对称功率谱，同时为了获得较大的驱动电流，希望低杂波能够传输到等离子体中心，并与等离子体发生有效的相互作用。这就要求波与等离子体之间有好的功率耦合，波的功率谱宽度越窄越好，两边不对称谱线的高度相差越大越好。 在改善约束研究中，我们有时候并不希望低杂波的功率都沉积到中心，而是通过改变功率谱来控制波与等离子体相互作用的电子及其位置，从而有效地改变等离子体电流分布，改善等离子体的约束性能。 理论与实验研究已经证实：低杂波天线发射的功率谱n//决定了低杂波实验的特性，包括耦合、加热和电流驱动效率、等离子体电流分布等。 研究内容 低杂波功率谱对波耦合及电流驱动效率的影响 低杂波电流驱动实验中的功率耦合及电流驱动效率是关系到能否在一个稳定的参数条件下，在较长的时间段内实现电流驱动的二个重要参量。它涉及到波与等离子体之间的耦合与相互作用、天线的相位控制、等离子体参数控制、边界区域电子密度涨落、托卡马克装置的壁状态等一系列相关因素，是低杂波电流驱动实验中的一个关键问题，同时对改善约束、控制分布、实现高品质等离子体放电也具有重要的意义。 波驱动电流的基本原理 低杂波在托克马克等离子体中可通过朗道阻尼将能量传给电子，使得这些电子在波矢方向的运动速度增加，因此形成电流，即低杂波驱动电流。 在低杂波电流驱动时，对波的功率谱（波功率关于平行波矢量的分布）要求是不对称的，并可通过调节天线阵列的相位来达到所要求的波谱形状。 驱动电流的大小由电子所吸收的总功率及这一功率对平行波矢量谱的形状所确定。 其中ne是电子密度，Pe(k//)是波的功率谱，?为Spitzer电阻率 低杂波电流驱动效率 根据 Fisch 的线性理论: (A?1014cm-3 ? m/W) 由此可见高电子温度、小的n//、低杂质含量有利于提高电流驱动的效率。 根据Fisch理论，似乎波的相速度越大越好，也就是平行折射率越小越好。但实验结果表明，这一结论是不正确的，除了波的可近性要求平行折射率必须大于某个临界值外，实际上，电子速度分布中高能电子的数目随能量增加急剧减少，参与共振的电子过少，被吸收的波功率也就很小，耦合到等离子体中的波能会重新溢出，或在其他通道中损失，使实际被利用于电流驱动或加热的波功率的比例减小。所以，低杂波功率谱对等离子体的影响要根据具体实验条件综合考虑，在很大程度上要在实验中寻找最佳耦合和驱动条件。 HT-7 上两种结构的天线 * 多波导相控阵天线： 2?12个波导并列组成，波导间的相位差可以自由调节。该天线的优点是n//谱调节范围大；缺点是难以在有效的空间内增加波导数量以得到小的Dn// 。 * 多结波导阵天线 ： 3 ?16以子波导间具有固定相位差的波导结为单元（每个结有四个子波导）；天线由12个这样的子波导结祖成。该天线的优点是可以在有限空间内有效增加子波导数量，从而得到比较小的Dn// 。缺点是n//谱调节范围受到限制。 HT-7 LHW Antenna 2×12 multi-waveguide grill Sub-waveguid size: 13.1mm × 109.2mm Material: 1Cr18Ni9Ti antenna protectors are made of molybdenum Baking temperature: 270℃ a flexibly adjusted power spectrum 1≤N// peak ≤4 (△N// = 0.8) 新天线结构 新天线的辐射谱 低杂波天线主波导相位角与功率谱平行折射率对应关系 数值模拟计算不同功率谱低杂波的功率沉积与驱动电流分布 优化低杂波电流驱动实验参数 采用二段调相方式，比较波功率谱对电流驱动效率的影响 ?? = 0o---90o ?? = 30o---120o ?? = 60o---150o ?? = 180o---270o ?? = 0o---90o (n//=2.35---2.9) ?? = 30o---120o (n//=2.5---3.1) ?? = 60o---150o (n