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在聚变研究中,等离子体杂质是托卡马克物理研究的一个重要问题。长远来说,杂质会造成等离子的体辐射损失和等离子体密度的稀释,这对点火的实现和聚变功率密度的提高都会产生负面的影响。在EAST托卡马克上,杂质问题是研究等离子体建立、壁处理效果、射频加热效果和长脉冲放电等物理课题中直接面对的问题。作为EAST托卡马克上的重要诊断,多道可见轫致辐射诊断可以提供能够反映等离子体总体杂质含量的有效电荷数Zeff,在托卡马克物理研究中意义重大。本文主要介绍了多道可见轫致辐射诊断的研制过程以及其在EAST托卡马克实验的应用。主要内容和研究结果概括如下:
文中总结了利用可见轫致辐射计算有效电荷数方法的物理原理;研究了在托卡马克边界等离子体参数下轫致辐射与复合辐射、原子线辐射的关系;推导出了该方法在EAST装置的计算公式,并计算了不同电子温度对应的冈特因子的值。
详细介绍了多道可见轫致辐射诊断系统的研制过程。分别介绍了该诊断系统中光学透镜、光纤、光电倍增管以及信号放大器等核心部件的原理与设计方法;重点分析了透镜焦距的计算和透镜球差的消减,给出了有效可行的减小球差的解决方案;系统地介绍了信号放大器电路的各个子模块,研究了微弱信号放大器的主要设计方法和技巧,总结出了针对信号放大器的放大倍数和频率带宽的有效调试方法;特别研究了各部件之间的耦合方法,给出了透镜与光纤、光电倍增管与信号放大器耦合的解决方案。
简洁介绍了该程序的主要功能、整体架构和运行环境,并列出了该代码中的核心函数;对数据下载、参数判定、计算结果输出、程序界面等主要子模块进行了分别介绍。重点介绍了程序中多次放电的连续计算和平稳时刻的智能判定等功能;通过多次调试后,该计算程序完成了2009年EAST整轮实验的有效电荷数的统计,验证了程序运行的稳定性和计算结果的可靠性。
在轫致辐射诊断和有效电荷计算程序基础上,文章广泛研究了不同放电情况下EAST等离子体的杂质行为。并结合光谱分析,得到了主要杂质的种类和定性含量;通过对比硼化前后等离子体主要杂质的含量和有效电荷数,论证了硼化对杂质的有效抑制作用;通过统计大量等离子放电数据,发现了碳杂质含量与有效电荷数之间的强相关关系,并给出了不同等离子体电流和低杂波功率条件下的相关系数;利用插值方法对有限道数的电子密度进行处理得到了弦积分密度,利用磁面数据计算出了等离子体的弦长分布,结合电子密度分布和弦积分轫致辐射分布,得到了弦积分有效电荷数的分布。