从ECE信号获取电子热导的热脉冲方法.ppt

1、,EAST,EAST,高温等离子体电磁辐射大致可以分为两种：非相干的自生辐射和相干的感生辐射。自生辐射由于等离子体中粒子的运动状态或能量状况发生变化而引起的。感生辐射由于等离子体中波和非平衡态粒子共振相互作用而激发的电磁辐射 在实验室托卡马克等离子体中，主要研究以下几种自生辐射。轫致辐射（连续光谱）：电子的加速度产生的辐射，自由自由过程。复合辐射（连续光谱）：电子和离子碰撞后彼此结合而产生的辐射，自由束缚过程。线辐射（线光谱）：电子从高能态向低能态跃迁而产生的辐射，束缚束缚过程。,电子回旋辐射(ECE)原理,EAST,回旋辐射也叫磁轫致辐射，Electron Cyclotron Emissio

2、n(ECE) 是指等离子体发射出辐射的一种，它的辐射原理是等离子中的电子在围绕磁力线旋转时发出的电磁辐射，托卡马克中通常的频率范围大致在微波的频段(毫米到亚毫米) 由Maxwell方程再通过Fourier积分可得到单电子辐射频率谱,可以看出在自由空间中传播的粒子如果有加速度则会有辐射产生 。,电子回旋辐射(ECE)原理,EAST,通过粒子在电场中的运动方程得到单粒子的辐射电场,电子回旋辐射(ECE)原理,这表示辐射是一些不连续的频率。,从上面的方程我们能够得到,EAST,电子回旋辐射(ECE)原理,EAST,辐射的输运、吸收和发射,输运过程可以由下面的方程来描述,当这个等离子体是光厚时，方程的

3、解可以写成,在局域热平衡且光厚时,EAST,辐射的输运、吸收和发射,在Rayleigh-Jeans近似或者经典极限的条件下,当磁场的空间分布确定时,可以在ECE测量位置与接收的频率间建立一一对应的关系这些是利用ECE测量电子温度的基础。,EAST,辐射的输运、吸收和发射,EAST上ECE测量位置计算公式：,EAST,EAST上各次谐波频率及其光厚的计算,ECE信号接受窗口在水平低场侧，接收垂直于磁场的辐射。电磁波垂直于磁场传播时,O-模截止条件：,X-模截止条件：,X-模共振条件：,EAST,EAST上各次谐波频率及其光厚的计算,根据EAST的参数B0=2T, ne0=11019m-3, ne

4、= ne0(1-r2/a2)得到磁场中不同谐波的频率以及截止频率的分布。,EAST,EAST上各次谐波频率及其光厚的计算,一般来说，光厚是关于磁场，等离子密度，电子温度有关的物理量。,EAST,根据EAST各参数，可以计算出各次谐波的光厚,EAST上各次谐波频率及其光厚的计算,B0=2T, ne0=11019m-3,抛物分布: ne= ne0(1-r2/a2),EAST,EAST上各次谐波频率及其光厚的计算,只有寻常波的基波和异常波的2次谐波是光性厚的。其他各次谐波都是光性薄的。实验中我们取异常波的2次谐波,B0=2T, ne0=11019m-3,抛物分布: ne= ne0(1-r2/a2),

5、EAST,电子热导的ECE测量,1974年，Von goeler等人在ST装置上利用硅表面势垒探测器首次观察到从等离子内部辐射出的SX辐射强度呈现一种锯齿状结构，后来在其他装置及其他诊断信号上都可以看到。在一定的等离子体放电条件下，典型的锯齿信号为在靠近等离子体中心处为正锯齿，在被认为q=1的磁面外的位置为反锯齿。在欧姆放电条件下锯齿振荡的周期和电子温度，电子密度有关;与电子温度涨落，密度涨落相关联；和等离子体电流强度和其他辅助加热有关。,EAST,电子热导的ECE测量,为了解释锯齿现象，1975年，苏联科学家B.B.Kadomtsev提出了建立在撕裂模理论基础上的整体磁重联理论模型。1978

6、年，B.V waddell等人将Kadomtsev模型进一步发展。模型基础：认为锯齿振荡是一种周期性过程，在中心q下降到1以前，等离子体中心温度被加热时上升得快，电阻率下降，环电流向磁轴集中，中心电流密度增大（称“热不稳定性”），磁轴处q下降到小于1，导致m/n=1/1的电阻撕裂模的不稳定，随着不稳定的增长，最后在等离子体中心部分拉平等离子体温度、电流和q的空间分布，q=1面外温度突升产生得热脉冲向外扩散。而等离子中心再次被加热，导致下一个锯齿。,EAST,电子热导的ECE测量,正是利用这种物理现象所反映的热脉冲似的传播来测量ECE电子热导,EAST,电子热导的ECE测量,等离子体中心温度突降

7、所带出的热量先沉积在紧挨着q=1面外侧从 的区域。 在热脉冲传过q1的区域时认为（Callen and Jahns）：热脉冲的传播纯粹靠扩散。在 区域内电子热导近乎均匀。,EAST,电子热导的ECE测量,G.L Jahns等人提出热脉冲扩散传播分析法推导热导系数，在此方法中把破裂锯齿振荡当作微扰去解托卡马克热平衡方程,其解为,EAST,电子热导的ECE测量,把温度看成平衡量加微扰量，忽略二阶小量，在柱坐标下可得到,其解析解为,根据不同初始条件和边界条件可以得到方程的具体解。,EAST,电子热导的ECE测量,由方程的解析解可以得出如下结论:在rr0内，随时间变化每个点的微扰温度会出现极大值。随r

8、增大，微扰温度取到最大值的时间 也变大，当在较远的区域, 与 近似成线性关系，即 均匀，且随r增大，扰动幅度在减小。 存在一个0点，此刻当 时，理论上应该有 的负尾巴，实验上观察不到，可能是Sawtooth的重复效应而被抑制。,EAST,电子热导的ECE测量,根据热脉冲传播原理，初始热脉冲沿等离子体半径向外传播，只要能计算出热脉冲传播到不同位置上的时刻，就能得到能量在此区域传播过程中的平均热导由有限差分法求电子温度微扰满足的无源热传导方程只要知道初始条件和边界条件，可以解出各个时刻的温度扰动分布。当初始温度为抛物线分布，且初始热脉冲极大值在 处。由反复迭代可以求得不同位置上极大值点出现的时刻

9、，再由最小二乘法拟合 和 ，得到的解为：,EAST,电子热导的ECE测量,但是由热脉冲传播理论求得的 比由热功率平衡计算出的电子热导 大两倍。这种不一致可能是由输运矩阵的非对角元产生。而且由于非对角元的存在，密度梯度驱动热流，而热梯度驱动粒子流。一个纯温度扰动不再是系统的正常模。由于密度和温度的耦合，一个温度扰动源同样会在源的附近产生密度扰动。如果只用一个热传导方程就可以模拟这种系统中的热脉冲的传播，则 和 值会差异很大。非对角元的存在可能为平衡时和扰动时的输运系数提供了一个很好的解释。,EAST,电子热导的ECE测量,在EAST上轮放电中，低场侧q=1的反转面靠外，一般在第二道（0.202m）和第三道（0.165m）之间无法看到更多的热脉冲向低场侧传播的ECE信号脉冲。由于热导值太大，脉冲延迟的时间无法分辨，难以对电子热导作出准确的计算。,EAST,电子热导的ECE测量,谢谢！,EAST,电子热导的ECE测量,