KTX等离子体中的光学诊断

论文摘要

科大一环（KTX）是在中国科学技术大学新建的一个反场箍缩实验装置,其大半径为1.4米,小半径0.4米。目前,KTX实现的最大等离子体电流为205kA,最长放电时间为21ms,并且实现了反场放电,反场持续时间为2ms。一些基础诊断已经应用在KTX上,像Hα、Bolometer、朗缪尔探针等。我们已经设计了一个10通道的Hα诊断系统,其时间响应带宽为300 kHz,空间分辨率约为40毫米,相邻通道的重叠率约3%,该系统已成功应用在KTX上。在KTX初始运行阶段,Hα诊断系统是一个非常重要的工具。用狭缝取代传统光学透镜使得系统变得紧凑,弯曲滤光片的设计是为了防止通道随着入射角变大其透过的中心波长偏移太大。为了消除杂散光,系统的内壁覆盖着有很高吸收率的黑铝箔,并且构造了一个二维模型来估算Hα信号中反射信号的比例。利用Hα数据和朗缪尔探针测得的电子温度和密度的分布,可以计算KTX等离子体中性氢密度的分布。Hα诊断快速的时间响应和良好的空间分布有利于RFP等离子体的许多物理研究。我们也通过一个20通道的AXUV bolometer测量了 KTX等离子体的辐射功率,bolometer的频率响应带宽为40 kHz,空间分辨率优于40 mm,相邻通道的重叠率约20%。20个通道的相对校准系数可以消除空间几何对于信号强度的影响。对于KTX上的超低q放电,当等离子体电流约60 kA时,通过bolometer测得的辐射功率约占欧姆加热功率的10.0%,并且我们已经对等离子体系数和总辐射功率之间的关系做了简要分析,也讨论了 KTX上超低q放电和tokamak放电的辐射功率剖面。还有,利用Hα和bolometer数据计算了 Zeff的分布,它的值与通过等离子体电阻率算得的值吻合的很好,Zeff在等离子体小截面上是中空分布的。另外,我们发展了一套高分辨的离子多普勒光谱诊断测量KTX等离子体流速和离子温度,该系统包括一个一米焦距的Cherny-Turner光谱仪,它衍射光栅的线密度为24001/mm,一阶光谱的范围为270 nm-640 nm。光谱仪出射狭缝处的光经过一个直径为2 mm的柱面镜分散后被一个32通道的多阳极光电倍增管接收。我们选择464.742 nm的CIII谱线去测量多普勒展宽和频移,这条谱线是通过USB2000+的微型光纤光谱仪选出的,其可测量的光谱范围为340 nm-1024 nm。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第1章 绪论
•   1.1 核聚变
•   1.2 磁约束聚变装置
•     1.2.1 托卡马克
•     1.2.2 仿星器
•     1.2.3 反场箍缩
•   1.3 KTX装置
•   1.4 等离子体的光谱
•   1.5 本论文内容架构
• a诊断'>第2章 KTX装置上H_a诊断
•   2.1 背景介绍
•     2.1.1 等离子体中粒子速度分布
•     2.1.2 粒子在热平衡时的状态分布
•     2.1.3 等离子体的简化模型
• a辐射'>  2.2 H_a辐射
• a诊断系统'>  2.3 H_a诊断系统
•     2.3.1 滤光片
•     2.3.2 光电二极管
•     2.3.3 前置放大器
•     2.3.4 黑铝箔膜
• a诊断系统的校准'>  2.4 H_a诊断系统的校准
• a诊断系统的实验布局'>  2.5 H_a诊断系统的实验布局
•   2.6 光反射比例的模拟分析
• a诊断数据'>  2.7 KTX装置上H_a诊断数据
•   2.8 中性氢密度的估算
•     2.8.1 动量约束
• a数据的关系'>    2.8.2 中性氢的密度与H_a数据的关系
• a辐射发射率密度的计算'>    2.8.3 H_a辐射发射率密度的计算
•     2.8.4 KTX上中性氢的密度
•   2.9 本章小结
• 第3章 KTX装置上的Bolometer诊断
•   3.1 背景介绍
•   3.2 等离子体中的辐射
•     3.2.1 轫致辐射
•     3.2.2 复合辐射
•     3.2.3 线辐射
•     3.2.4 回旋辐射
•     3.2.5 等离子体的总辐射功率
•   3.3 热辐射探测器的种类
•     3.3.1 热电堆
•     3.3.2 热释电探测器
•     3.3.3 热敏电阻测辐射热计
•     3.3.4 半导体箔测辐射热计
•     3.3.5 金属箔测辐射热计
•     3.3.6 AXUV探测器
•     3.3.7 红外相机测辐射热计
•   3.4 Bolometer诊断系统
•     3.4.1 磁传动系统
•     3.4.2 AXUV光电二极管
•     3.4.3 前置放大器
•     3.4.4 Bolometer系统的校准
•   3.5 等离子体总辐射功率的估算
•     3.5.1 KTX上等离子体的总辐射功率
•   3.6 等离子体辐射功率剖面的模拟[1]
•     3.6.1 有限元方法
•     3.6.2 解析法
•   3.7 KTX等离子体参数与总辐射功率的关系
•     3.7.1 等离子体电流与总辐射功率的关系
•     3.7.2 等离子体环电压与总辐射功率的关系
•     3.7.3 等离子体密度与总辐射功率的关系
•     3.7.4 等离子体温度与总辐射功率的关系
•     3.7.5 等离子体参数与热辐射的定标关系
•   3.8 KTX等离子体辐射功率剖面
• eff'>  3.9 利用等离子体的辐射功率密度计算Z_eff
• eff的分布'>    3.9.1 KTX上等离子体的Z_eff的分布
•   3.10 本章小结
• 第4章 KTX装置上的Ion Doppler Spectrometer诊断
•   4.1 背景介绍
•     4.1.1 自然展宽
•     4.1.2 多普勒效应
•     4.1.3 斯塔克效应
•     4.1.4 塞曼效应
•   4.2 多普勒光谱的原理
•   4.3 IDS诊断系统
•     4.3.1 光收集系统
•     4.3.2 MSDD1004i光谱仪
•     4.3.3 分光系统
•     4.3.4 光谱探测系统
•     4.3.5 EMCCD
•   4.4 海洋光学微型光谱仪
•   4.5 离子谱线的选定
•   4.6 IDS诊断系统的校准
•   4.7 KTX上IDS光谱实验数据
•   4.8 本章小结
• 第5章 总结与展望
•   5.1 全文总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 附录A 欧姆加热功率的计算
•   A.1 KTX欧姆加热功率
• 附录B MSDD1004i光谱仪主要技术参数
• 附录C 光学移动平台技术指标
• 附录D 滨松H7260-03型号光电倍增管技术参数
• 附录E ANDOR DU970P-BVF型EMCCD技术规格
• 附录F 海洋光学微型光纤光谱仪规格
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 朱军锋

导师: 俞昌旋,庄革,兰涛

关键词: 装置,诊断,中性氢密度,测辐射热计,辐射功率损失,等离子体流速,离子温度

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O53

DOI: 10.27517/d.cnki.gzkju.2019.000188

总页数: 155

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