实验研究极限环振荡三维空间特征及触发机制

When heating power is close to the H-mode threshold power, a kind of limit cycle oscillation (LCO) appears in edge plasma. This program is planned to study the 3D characteristics and the trigger mechanism of the LCO, in order to understand its key role on L-H confinement transition. Three cases will be investigated, including: (1) the transition with L-I-L, but no entry the H-mode; (2) the transition with L-I-H and the LCO frequency invariable; (3) the transitions with L-I-H, but the LCO frequency gradually reduces and finally enters into the H-mode. Using the electrostatic probe arrays toroidally separated by 210 cm and the high-speed camera, we may observe the dependence of LCO frequency on the heating power, electron density, edge safety factor, etc., in three cases; study its 3D characteristics with the poloidal, toroidal, radial probe arrangement; compare the spectrum, fluctuation amplitude and long-range correclation between LCO and low frequency zonal flow (LFZF); measure the time evolution of geodesic acoustic mode (GAM) in the three cases and then confirm whether the GAM exists in LCO-phase and study GAM damping mechanism; contrast the time evoultions of electron pressure gradient, radial electric field, soft X-ray, energy partition, etc, for studying LCO trigger mechanism; investigate the time evolutions of ion - ion collision damping rate and turbulence linear growth rate in LCO-phase to understand LCO damping mechanism.

研究加热功率接近H模阈值功率时的极限环振荡（LCO）的三维空间特性,掌握LCO的触发机制,了解LCO对实现约束模式转换的关键作用, 包括三种情况: 一是具有LCO，但放电并未进入H模; 二是具有LCO频率不变并进入了H模的放电;三是具有LCO，但是其频率逐渐降低最终进入H模的放电。采用环向相距210厘米静电探针阵列和高速CMOS相机, 观测三种情况下的LCO的频率与加热功率、电子密度、边界安全因子等的关系；采用环向、极向、径向布置的探针测量LCO的三维空间特性；分析对比LCO与低频带状流的异同；测量测地声模在三种情况下中的演化，证实它在LCO中是否存在及其阻尼过程；对比电子压力梯度、径向电场、软X射线、能量份额等参数演化，研究LCO的触发机制。估算离子-离子碰撞阻尼率以及湍流线性增长率，比较它们在LCO过程中的演化，结合极限环振荡频率，理解它的产生机制。

按照课题计划开展和实施了有关研究工作，并顺利完成各项研究任务。本着有限目标，重点突破，以及物理实验与理论研究相结合的原则，并根据HL-2A托克马克装置丰富的极限环振荡现象以及L-H转换条件开展了研究,对极限环振荡三维结构、振荡环本质特性及振荡环与湍流相互作用触发L-H转换的物理机理研究。通过本课题的实施，掌握了不同等离子体状态下的极限环振荡的三维空间特性，阐明了振荡环并不依赖径向空间位置，统计获得振荡流的频率接近边界离子碰撞频率，明确了振荡环及低频带状流的异同；找到极限环振荡变化频率与边界压强梯的依赖关系，发现极限环振荡并不是湍流驱动，对振荡环的理解加深一步；阐明振荡环期间的压力梯度主导的反向振荡环的动力学过程，掌握了极限环振荡对实现约束模式转换的关键作用；实验结合理论模型，获得了振荡环的变化条件，深入理解极限环振荡过程中的湍流抑制机制等。课题的实施提升了国内现有的托卡马克等离子体边缘振荡流及高约束模式动态物理过程的研究水平，缩短了我国与先进国家在等离子体边界湍流研究领域之间的差距，培养的人才具有独立从事相关工作的能力，使得HL-2A能在未来聚变堆ITER的边界湍流及约束模式转换的物理实验中起到了举足轻重的作用，为优化等离子体的实验方案，探索约束模式转换的物理机制以及优化控制H 模等离子体的性能提供重要的参考依据。