（等离子体物理专业论文）等离子体中经向电场的形成及其对湍流的影响.pdf

。 论文摘要 论文摘要 提高等离子体约束对于磁约束核聚变具有重要意义。在等离子体 中，云剪切流抑制湍流改善约束的作用已为诸多装置的实验结果 所支持，然而，其中径向电场的形成原因和过程尚未定论，湍流的行 为也表现出复杂性，众多的理论模型需要鉴别。由于大装置上实验条 件的限制，对于径向电场或重后剪切流的形成过程，以及湍流场的 特征难以做系统的高分辨率的测量，这就给我们小装置留下了工作空 间。 本论文利用k t 5 c 托卡马克装置等离子体温度较低的特性，采用 电极偏压的方法来控制边缘电场。在实验中，我们使用具有高时间和 空间分辨的静电探针及马赫探针系统，对等离子体的电子和离子温 度、密度、径向电场、极向和环向旋转速度、边界湍流的涨落幅度和 谱特征以及相关性等进行了全面、细致的测量，并运用谱分析等数据 处理方法定量表征湍流的特性，为湍流输运理论的发展提供必要的实 验数据。我们既能获得这些物理量的空间分布，又可以比较它们随时 问的演化过程，因而取得了一些新的有价值的实验结果。 一、边缘径向电场的形成 在1 5 0 伏正偏压下，径向电场从自然状态的一个浅的负阱状结构 演变为一个较深的正阱状结构，其剪切也大为增加。等离子体的 极向和环向旋转速度均有相应变化，特别是极向旋转更明显。在 限制器内侧，径向电场在正偏压下由负变正，极向旋转也从沿电 子逆磁漂移方向转为沿离子逆磁漂移方向。在径向电场正阱区， 等离子体的温度和密度分布变得更陡。 论文摘要 在径向力平衡方程中，离子压力梯度项、极向旋转项和环向旋转 项都对径向电场的形成起着重要作用。通过比较它们的大小和形 状，我们发现，不管是欧姆放电时还是偏压放电中，极向流速度 对径向电场都有最主要的贡献。 从信号的时序来看，在电极上施加偏压后，极向旋转的变化明显 早于径向电场的变化，这又从时间因果关系上证明了径向电场的 形成来源于极向旋转的变化。 作为极向流的驱动源，我们比较了湍流的雷诺胁强驱动的径向电 流( 小于4 0 a ) 和偏压电极的收集电流( 约为2 0 0 a ) ，发现在偏 压作用下，极向流速度的驱动源主要是外电极引入的径向电流。 在欧姆放电中，极向流主要由湍流的雷诺胁强驱动。 二、偏压电极对湍流的影响 在加偏压后，电子密度涨落和电子温度涨落水平降低，悬浮电位 涨落没有降低，反而在r 7 0 r a m 区域增强。说明不同的涨落场对 径向电场及其剪切的响应不一致。 k t 5 c 静电涨落在加偏压前后都是充分发展的湍流，不论是极向 波数和径向波数t 都有哌u ) j f ) 。其主要功率集中在低频 ( f a c o 。的条件，因而在实验中观察到湍流 的自相关时间降低，径向相关长度减小，湍流输运被抑制。本实验的 结果为湍流的非线性去相关理论提供了新的证据。 欧姆放电时，自然形成的径向电场剪切层位于l c f s 附近。自然 剪切层对湍流具也有去相关作用。在自然剪切层附近，涨落的径向和 极向相关长度近似相等，即湍流趋于各项同性，而在其它位置，湍流 在垂直于纵向磁场的平面内是各项异性的。在剪切层附近，湍流的各 相关量的值也比其它径向位置略低一些。 四、小结 综合本实验的结果，可以得到以下结论：对于欧姆放电和偏压电 极放电，在丘云剪切流或径向电场的形成中，等离子体极向流起最 主要的作用。在欧姆放电状态，湍流的雷诺胁强是驱动极向流的主要 因素。在电极偏压放电中，偏压电极引起的径向电流，造成了极向流 速度的改变，进而形成大的径向电场及其剪切，而豆云流剪切的增 大又抑制了湍流的输运。 a b s 廿a c t a b s t r a c t i ti sak e yi s s u et oi m p r o v ec o n f i n e m e n t sf o rf u s i o np l a s m a t h e p r e s e n c e o fs t a b l e 丘豆f l o ws h e a ri np l a s m a sc a l lr e d u c et u r b u l e n c e l e v e l sa n dc r o s s f l o wt r a n s p o r t s u c he f f e c t sh a v eb e e nr e p o r t e di naw i d e v a r i e t y o fm a g n e t i c a l l yc o n f i n e dp l a s m a s h o w e v e lt h e g e n e r a t i o n o f s h e a rf l o w ( o rr a d i a le l e c t r i cf i e l d ) b yav a r i e t yo fm e c h a n i s m si nw h a ti s o f t e nav e r yc o m p l i c a t e df a s h i o ni sn o tt h o r o u g h l yu n d e r s t o o d ，a n da l s o t h et u r b u l e n c es h o wc o m p l i c a t e dc h a r a c t e r i s t i c sw h e ns h e a rf l o we x i s t s w i t hl i m i t a t i o n si ne x p e r i m e n t so nl a r g em a g n e t i c a l l yc o n f i n e dm a c h i n e s ， t h eg e n e r a t i o no fr a d i a le l e c t r i cf i e l da n dt h et u r b u l e n c ef i e l di sd i f f i c u l tt o b er e s o l v e ds y s t e m a t i c a l l yi nh i 曲t e m p o r a la n ds p a t i a lr e s o l u t i o n t h i si s ac h a n c ef o rs m a l lt o k a m a k st od os u c hw o r k s i nt h i sp a p e r , d u et ot h el o w t e m p e r a t u r ei nk t 一5 ct o k a m a k ，ab i a s i n g d e c t r o d ew a si n s e r t e di np l a s m a st oc o n t r o lt h ee d g er a d i a le l e c t r i cf i e l d i no b i e x p e r i m e n t s ，e l e c t r o s t a t i cp r o b ew h i c hh a v eh i 曲t i m ea n ds p a c e r e s o l u t i o nw e f ou s e dt od e t e r m i n ee l e c t r o na n di o nt e m p e r a t u r e ，e l e c t r o n d e n s i t y , p l a s m ap o t e n t i a la n dr a d i a le l e c t r i cf i e l d t h ei o nf l o w sb o t hi n p o l o i d a la n dt o r o i d a ld i r e c t i o ne x p e c t e dt op l a yk e y r o l e si nc o n s t r u c t i o n o fr a d i a le l e c t r i cf i e l d sw e r em e a s u r e dw i t hm a c h p r o b e s ，b o t ht h es p a c e p r o f i l e s o ft h e s ep a r a m e t e r sa n dt h e i rl i m ee v o l u t i o nw e r eo b t a i n e dt o d e t e r m i n et h es h e a rf l o wd r i v e nm e e h a n i s m s t h i sb r o u g h to u ts o m en e w v a l u a b l er e s u l t s t h ee d g et u r b u l e n c ew a sa l s oi n t e r p r e t e di nd e t a i lu s i n g s p e c t r a la n a l y s e st e c h n i q u ea n d c o r r e l a t i o na n a l y s e s t e c h n i q u e 1 g e n e r a t i o no ft h e e d g e e l e c t r i cf i e l d a b s t r a c t w i t h15 0 vp o s i t i v eb i a s ，i o nf l o w s ，e s p e c i a l l yt h ep o l o i d a lf l o w , c h a n g e s w h i l er a d i a le l e c t r i cf i e l dc h a n g e sf r o mal o wn e g a t i v ew e l lt o a d e e pp o s i t i v ew e l l i nt h er e g i o n i n s i d et h el i m i t e r , t h er a d i a le l e c t r i c f i e l dg o e su pf r o m n e g a t i v ev a l u e t op o s i t i v ev a l u e ，i na c c o r d i n gt ot h i s ， t h e p l a s m ap o l o i d a l f l o wt u r n si t sd i r e c t i o nf r o m a l o n g e l e c t r o n d i a m a g n e t i c d r i f td i r e c t i o nt oi o nd i a m a g n e t i cd r i f td i r e c t i o n t h e p l a s m at e m p e r a t u r ea n dd e n s i t yp r o f i l e sa r es t e e p e n e di nt h ep o s i t i v e r a d i a le l e c t r i cf i e l ds h e a r l a y e r i nr a d i a lf o r c eb a l a n c ee q u a t i o n ，a l lt h ec o m p o n e n t so fi o np r e s s u r e ， p o l o i d a lf l o wa n dt o r o i d a lf l o wc o n t r i b u t et or a d i a le l e c t r i cf i e l d b y c o m p a r i n g t h e i rv a l u ea n d p r o f i l ew i t h t h e e ，i tc a n b ec o n c l u d e dt h a t p o l o i d a lf l o wc o n t r i b u t e st h em a i np a r to f r a d i a le l e c t r i cf i e l de i t h e ri n o h m i cd i s c h a r g e so ri nb i a s i n g d i s c h a r g e s w h e n c o m p a r i n gt h et e m p o r a le v o l u t i o no fe ，p o l o i d a la n dt o r o i d a l f l o w , p o l o i d a lf l o w i sf o u n dt ol e a do t h e rt w o q u a n t i t i e s t h i ss u g g e s t s p o l o i d a lf l o w i st h ed r i v e ns o u r c eo fr a d i a le l e c t r i cf i e l da c c o r d i n gt h e c a u s a l i t y a sad r i v e nf o r c eo fp o l o i d a lf l o w , t h ee l e c t r o d ec o l l e c t i v ec u r r e n t ( 2 0 0 a ) i sm u c hl a r g e rt h a nt h ec u r r e n t ( - - 4 0 a ) c a u s e db yr e y n o l d s s t r e s si nb i a s i n g d i s c h a r g e i no h m i c d i s c h a r g e ，p o l o i d a f l o w i sm a i n l yd r i v e nb y r e y n o l d ss t r e s s 2 t h ei n f l u e n c eo ft h ee l e c t r o d eb i a s i n go nt u r b u l e n c e a f t e rb i a s i n g f l u c t u a t i o nl e v e l so fe l e c t r o n d e n s i t y a n de l e c t r o n t e m p e r a t u r ea r er e d u c e d , w h i l ef l o a t i n gp o t e n t i a lf l u c t u a t i o n si n c r e a s e i nt h er e g i o n ， 7 0 r a mb e s i d e s h a v i n g l i t t l ec h a n g eo u t s i d et h i sr e g i o n t h i si n d i c a t e sv a r i o u sf l u c t u a t i o n s r e s p o n d t o e r a n di t ss h e a ri n d i f f e r e n tw a y s a b s t r a e t e l e c t r o s t a t i cf l u c t u a t i o n si nk t - 5 ct o k a m a ka r ef u l l yd e v e l o p e d t u r b u l e n c e w i t ho rw i t h o u tb i a s ，t h es p e c t r a lw i d t ho fb o t hp o l o i d a l w a v e n u m b e r k ea n dr a d i a l w a v e n u m b e rk 。i sl a r g e rt h a nt h em e a n w a v e n u m b e r ( e a r ) f ) n ep o w e r i sm o s t l yd i s t r i b u t e di nl o w e r f r e q u e n c yr a n g e ( ， 1 0 0 k h z ) a n d s m a l lw a v e n u m b e r r e g i o n ( 阱1 乏l 3 c m “) a f t e r b i a s i n g ，p o l o i d a l w a v e n u m b e rs p e c t r a lw i d t h d e c r e a s e s ，w h i l er a d i a ls p e c t r a lw i d t h i n c r e a s e t h e f r e q u e n c ya n d w a v e n u m b e r s p e c t r a ld i s t r i b u t i o ns h o w sb r o a d b a n d n a t u r eo ft u r b u l e n c e a th i g h e rf r e q u e n c yo rl a r g e rw a v e n u m b e r , t h e s p e c t r a l d i s t r i b u t i o ni so fe x p o n e n t i a l d e c a y , w h i c h i sv a l u a b l ei n d i s c h a r g e w i t hb i a st o o w i t ho rw i t h o u tb i a s ，t h el o c a lp o w e r s p e c t r a ld e n s i t i e ss ( ，f ) s h o w p o l o i d a la s y m m e t r i c i n s i d e t h es h e a r l a y e r , t u r b u l e n c em a i n l y p r o p a g a t ei nt h ee l e c t r o nd i a m a g n e t i cd r i f td i r e c t i o n ，a n do u t s i d et h e s h e a r l a y e r , t u r b u l e n c ep r o p a g a t e i nt h ei o nd i a m a g n e t i cd r i f td i r e c t i o n a f t e r + 15 0 v b i a s i n g , i nt h er e g i o n7 0 r a m a r e 。 i sa g r e e a b l e ，s or e d u c e dt u r b u l e n td e c o f r e l a f i o nt i m ea n d r a d i a lc o r r e l a “o n l e n g t hw a so b s e r v e dw i t hs u p p r e s s i o n o ft u r b u l e n c e t r a n s p o r t t l l i s i s a c c o r d a n tw i t ht l l en o n l i n e a rt u r b u l e n td e c o r r e l a t i o nt h e o r y i no h m i c d i s c h a r g e s a s h e a rl a y e ro f 雷雪f l o wi sn a t u r a l l yi n d u c e da t t h el o c a t i o na r o u n dl c f s t h i sn a t u r a ls h e a rl a y e ra l s op l a y sr o l eo f d e c o r r e l a t i o no ft u r b u l e n c e t h et u r b u l e n tc o r r e l a t i o nl e n g t hi nr a d i a la n d p o l o i d a l d i r e c t i o nb e c o m ee q u a li nt h es h e a rl a y e r , w h i c hm e a n st h a t t u r b u l e n c ei si s o t r o p i ct h e r eu n l i k ei no t h e rr a d i a lp o s i t i o n s ，i nt h ev i c i n i t y o fs h e a rl a y e r , v a r i o u sq u a n t i t i e sd e s c r i b i n gt u r b u l e n tc o r r e l a t i o ni sl o w e r i ns o m ee x t e n t 4 c o n c l u s i o n a c c o r d i n g t ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w ec a nd r a wac o n c l u s i o n i n o h m i cd i s c h a r g e sa n db i a s i n gd i s c h a r g e s ，t h ep o l o i d a li o nf l o wp l a y st h e k e yr o l ei ng e n e r a t i o n o fd x ds h e a rf l o w ( o rr a d i a le l e c t r i c f i e l d ) i n o h m i cd i s c h a r g e s ，t h ep o l o i d a lf l o wi sd r i v e nm a i n l yb yr e y n o l d ss t r e s s i n d i s c h a r g e w i t hb i a s e de l e c t r o d e ，ar a d i a lc u r r e n tr e s p o n d i n gt oa n i n d u c e dv o l t a g ed r i v e sap o l o i d a lf l o w , w h i c hi nt u r nd r i v e st h er a d i a l e l e c t r i cf i e l d t h ep h y s i c a lm e c h a n i s mo fs u p p r e s s i o nt u r b u l e n c ea n d t u r b u l e n c et r a n s p o r ti st h ea c c e l e r a t i o no ft u r b u l e n td e , c o r r e l a t i o nb ym e a n f l o ws h e a r , a n di ti si nf o r c ew h e n e v e rt h es h e a rs t r a i n i n gt i m ei sl e s st h a n t u r b u l e n tc o r r e l a t i o nt i m e 致谢 经过多年努力，论文终于完成了。我的博士生涯凝聚了家人的期 待，老师和同学们的关心帮助。值此论文完成之际，对他们表达我由 衷的谢意。 首先，我要感谢闻一之教授和俞昌旋教授，他们是我的导师，我 的论文每一章节都蕴含着他们的心血。他们严谨认真的求知态度，扎 实的工作作风，渊博的知识，还有丰富的实践经验，让我深受教益。 他们孜孜不倦教书育人的精神和对学生的关心爱护更让我终生难忘。 本专业的詹如娟、胡希伟、万树德、刘万东、陈银华、曹金祥、 马锦秀、赵淑君、李定、刘金英、王文浩等老师在我的成长中给予了 我热情的关心和帮助，这些同样让我一生铭记。 非常感谢本专业的同学们，我的工作离不开潘阁生、余文、孙玄、 和王之江等人的支持配合，与许字鸿、刘明海、庄革、李弘、郑坚、 朱小东、翟侃，以及张鹏飞、叶树伟、朱玉宝等其他非本专业同学进 行的有益讨论，使我深受启迪。 我的父母、妻子和其他亲友的挚爱、理解和支持，是我得以完成 此论文的力量源泉。我将用我的爱表达我心中对他们的感谢。 王成 2 0 0 0 4 1 4 第一章 引言 第一章引言 人类社会的发展离不开能源， 多，传统的能源越来越不敷使用， 而当今社会对能量的需求越来越 使得人们花费极大努力去找寻新的 能源，而核聚变能就是人类未来理想的选择。首先，聚变的原材料储 量十分丰富，燃料的释热率高，其次它与裂变相比具有内在安全性且 对环境的放射性污染小。 几十年来，在全世界科学家们的孜孜追求下，尤其是磁约束受控 核聚变取得了巨大的进展。近几年来，j e t 和t f t r 两大托卡马克先 后进行了d t 放电实验，特别是1 9 9 8 年，在j e t 上进行的d t 聚变实验，获得了高达1 0 m j 的聚变能量和1 7 m w 的聚变功率输出， 使人们对其科学可行性更有了充分的信心。下代大型托卡马克i t e r 的设计和建造，正是致力于商业聚变堆的试验，从而让人类不再为能 源发愁。 虽然核聚变的科学可行性已不成为一个问题，然而如何使聚变堆 运行得更经济、更有效益还存在不少重大问题需要解决。其中主要问 题之一是如何改善托卡马克的约束性能。 早在7 0 年代初期就已发现托卡马克等离子体中粒子和能量的输 运过程并不能为新经典理论所描述 1 ，2 】，因而被称为反常输运。为了 理解反常输运的物理机制，人们进行了大量的实验和理论研究【3 6 】。 现普遍认为是由于等离子体微湍流引起粒子和能量的反常输运：托卡 马克中电场和磁场的扰动引起粒子速度和径向位置的扰动，从而导致 增加的横越磁场的粒子和能量输运过程【4 】。如果能够找到某种手段 对湍流进行主动的控制将是十分有意义的。 1 9 8 2 年，在西德伽兴a s d e x 托卡马克上【7 】，人们首次发现在中 - 、 整= 兰一生 性束注入功率提高的情况下，等离子体从l 模运行状态突然转变进 入另一种约束性能更好的高模式运行h 模状态。其后，在许多装置 上使用不同的手段都先后实现了h 模运行，进入九十年代，在d i i i d 、a s d e x 、t u m a n 3 等装置上还观察到纯欧姆放电h 模。h 模 的特征主要有：在边界区出现一个输运位垒，在输运位垒附近等离子 体密度和温度梯度突然变陡，粒子和能量通量大大降低，边界湍流得 到抑制，同时等离子体的总能量约束时间比l 模提高2 3 倍。基于以 上优点，h 模成为下一代聚变堆理想的运行模式，因而，人们热切地 希望能有效地实现和控制它。这些年来，l h 模转换物理机制的研究 一直是世界聚变领域的研究焦点。 随着实验和理论研究的深入，径向电场的作用日益为人们所认 识。在诸多的理论模型中，与实验相符最好的是丘秀剪切流改善约 束的理论 8 ，9 】。该理论认为：当等离子体中没有极向流剪切存在时， 湍流的径向去相关率很小，当有丘豆驱动的极向剪切流存在时，湍 流的自然径向去相关与流剪切去相关强烈耦合，其耦合去相关率大大 增加，径向相关长度相应减小，湍流输运有很大降低，因而导致约束 改善。然而，由于大型装置上诊断系统的限制( 空间和时间分辨较差) ， 造成实验数据的不足，使得一些基本问题尚没有搞清楚，如径向电场 是如何形成的以及边缘等离子体极向旋转速度变化的原因等。十多年 来，人们对此提出了多种理论模型，如径向电场或极向旋转速度的分 岔，温度梯度驱动的极向旋转，s t r i n g e rs p i n - l l p ，湍流驱动的雷诺胁 强( r e y n o l d ss t r e s s ) ，以及压力梯度驱动的径向电场等，试图解释l h 模转换过程中径向电场( 或极向流) 的产生机制。最近几年，环向流 速度的贡献也受到人们的重视。显然，为了证实这些模型的正确性， 也迫切需要一些新的实验数据与它们比较，并通过比较加深我们对h 模物理的理解。 我们在k t - 5 c 托卡马克上，使用偏压电极的方法来实验研究径向 第一章 引言 电场的形成及其对湍流和输运的影响，给研究改善约束的物理机制提 供了新的证据，这也构成了本论文的内容。我们利用k t 一5 c 托卡马 克边缘等离子体温度较低的特性，使用具有高时间和空间分辨的静电 探针、马赫探针对等离子体的电予、离子的温度和密度、等离子体电 位、径向电场、极向和环向流速度以及边界湍流等进行了全面细致的 测量，这使得我们既可以对这些等离子体参量的空间分布进行研究， 又能够对它们的时间演化过程作分析，从而对有关改善约束的物理机 制的若干重要问题进行深入的研究，为最终解决这个问题作出贡献。 本论文的内容安排如下： 第二章是有关径向电场及其作用的研究的现状综述。第三章介绍 与本论文工作有关的诊断原理及分析方法。第四章介绍我们的实验装 置k t 5 c 托卡马克及其诊断系统。第五章则是实验结果的介绍和 分析，然后是总结和展望。 参考文献 1 l a a r t s i m o v i c h ，n u c l f u s i o n1 2 ，2 1 5 ( 1 9 7 2 ) 2 h rf u r t h , n u c l f u s i o n1 5 ，4 8 7 ( 1 9 7 5 ) 3 j h u g i l l ，n u e l f u s i o n2 3 ，3 3 1 ( 1 9 8 3 ) 4 p c l i e w e r , n u 0 1 f u s i o n2 5 ，5 4 3 ( 1 9 8 5 ) 5 j d c a u e n ，p h y s f l u i d sb4 ，2 1 4 2 ( 1 9 9 2 ) 6 a j w o o t t o n ，p h y s f l u i d sb2 ，2 8 7 9 ( 19 9 0 ) 7 f w a g n e r , e ta 1 ，p h y s r e v l e t t 4 9 ，1 4 0 8 ( 1 9 8 2 ) 8 h b i g l a r i ，e ta 1 ，p h y s f l u i d sb2 ，1 ，( 1 9 9 0 ) 9 k c s h a i n g , e ta 1 ，p h y s f i u i d sb2 ，1 4 9 2 ，( 1 9 9 0 ) 第二章 径向电场和约束改善的研究溉况 第二章径向电场和约束改善的研究概况 如何改善等离子体的约束是核聚变工作者最关心的问题之一。自 h b i g l a r i 等人提出了稳定的剪切流具有抑制流体( 等离子体和中性流 体) 的湍流及其造成的输运的作用【1 】，十多年来在这方面的研究取 得了巨大进步 2 】，其中大量的理论和应用正是集中在磁约束核聚变 的研究工作中。“豆雪流剪切模型对输运位垒的形成以及约束改善现 象的解释成为最成功的关于聚变研究的科学故事之一”f 引自k h b u r r e l l 3 】。下面就让我们来回顾一下剪切流改善等离子体约束的实 验和理论研究的进展情况。 一、约束改善的实验进展 自1 9 8 2 年西德伽兴a s d e x 托卡马克上首次发现h 模【4 】，迄今 为止，在世界上绝大多数聚变装置( 包括托卡马克、仿星器、磁镜和 螺旋器) 上采用辅助加热、纯欧姆加热和其它一些外驱动的方式都先 后获得了h 模f 5 2 6 。如果按照其特征来划分，可以将h 模的产生方 式分为两大类：一类是“自发h 模”，即当加热功率足够大时，等离 子体自发进入h 模状态，这包括纯欧姆加热和辅助加热两种情况； 另一类则是使用在电极或限制器上直接加偏置的正或负电压的方法来 实现h 模，这便是所谓的“外驱动h 模”。仅管这些驱动方式差别很 大，但人们发现几乎所有的h 模放电所表现出的基本特征( 尤其是 边界参数的变化) 都是非常类似的。这些特征包括：( 1 ) 、无论是“自 发”h 模还是偏压h 模，实验表明l h 模转换都存在一定的控制参 数阈值 7 ，8 ，2 l ，2 8 ，8 3 ，8 7 - 8 9 。对于“自发”h 模，一般要求加热功率 超过一定阈值，而珞通常与等离子体密度h 、纵场大小研及嘶相 对于x - - p o i n t 的方向等因素有关【2 8 ，2 9 ，一般有o c 屏瓦【9 0 。对于 第二章缝向电场和室! ! ! 塑堕苎塑堡! ! 塑堕 偏压h 模，往往则要求加在探针或限制器上的电压超过一定阂值 1 5 - 1 7 1 。( 2 ) 、等离子体通过分岔进入一个新的稳定态，温度和密度分布 以及粒子通量和能量通量发生了巨大的改变。( 3 ) 、输运位垒处存在 强的豆雪流剪切。( 4 ) 、边界以线( 氢等离子体) 或眈线( 氘等离子 体) 下降，同时等离子体的弦平均密度增加，能量和粒子约束时间大 大提高。 1 - 1 3 1 5 - 2 6 】。 图2 1 图2 3 分别是d i i i - - de 2 7 3 、a s d e xe 2 8 ，2 9 3 和t e x t o r 1 3 3 三个托卡马克上较为典型的放电波形图。从这三个图可以看 出，l h 模转换是在很短时间内( 一般 l m s ) 进行的，而有关参量 的变化几乎也是同时发生的。图2 1 ( a ) 一( e ) 分别展示了d i i i - d 上 从l 模到h 模，在边界区径向电场e ，变负、离子温度梯度增大、电 子密度梯度增大( 内侧增加，外侧减少) 、电子温度升高和密度涨落 功率降低随时间的演化过程。图2 2 是a s d e x 托卡马克上典型的放 电波形图，图中( a ) 、c o ) 显示l h 模转换前后涨落功率降低和玩线下 降，( c ) 表明了弦平均密度在h 阶段有很大增加。图2 3 是t e x t o r 托卡马克正偏压h 模实验的放电时序图。对于偏压h 模来说，电极 收集电流在随电极偏压增大的过程中达到某一临界值后突然下降也是 l h 模转换的标志之一( 见于图中( a ) ) 。图2 3 ( b ) 反映了径向电场的最 大值随屯极偏压的增加而增大，当l h 模转换发生时，巨一有一个明 显的跃升。该图中( c ) 、( d ) 、( e ) 说明在h 模阶段等离子体约束得到改 善，总电子数和电子热能增加。其它装置上实验结果基本上与此类似。 一般说来，l h 模转换的过程是非常迅速的，但也有极少数限制器位 形托卡马克上出现玩线下降过程持续几十毫秒的报道。此外，在有 边界局域模( e u 凼) 出现的l h 模转换实验中，等离子体往往要经 过很长时间的往复振荡( 即l 、h 模状态交替出现) 才能最后稳定在 h 模状态【3 l 】。 以上所述是l h 模转换的时间演化过程。在空间上，等离子体参 量在模转换前后的变化主要集中在边界区。在h 模出现的同时，在 位于最后闭合磁面( l c f s ) 附近，几乎所有装置上的实验结果都表 第二章堡向电场塑塑壅堕董塑垦塞塑堡 明等离子体的密度梯度大大变陡i 1 - 8 ，1 9 ，2 5 - 2 8 ，3 2 - 3 4 】，它是h 模的一 个最基本特征。a l c a t o rc - m o d 2 0 、t e x t - u 3 5 、t u m a n - 3 m 3 6 3 等装置上的最近一批h 模实验结果也再次证实了这一特征。图2 4 所 示是a 1 c a t o rc - m o d 边界区电子温度和电子密度的径向分布，可以看 出在l c f s 附近，h 模阶段等离子体的密度梯度v n , 比l 模阶段有显 著增加。图2 5 所示是s t o rm 托卡马克上电极偏压h 模时电子密 度的径向分布 3 7 】，该图也表明在正、负偏压情况下，限制器附近的 v 吃都变大。这些结