J-TEXT托卡马克等离子体粒子输运的密度调制实验研究

粒子输运是决定磁约束聚变等离子体约束性能的关键因素之一，由于粒子输运过程的复杂性及粒子源分布的不确定性，人们对其了解甚为有限。而扰动粒子输运研究可以获得比平衡态研究更多的粒子输运信息，密度调制是扰动粒子输运实验中通常采用的方法。密度调制技术一般分为脉冲式的密度扰动和周期性正弦扰动两种。在J-TEXT上，将分别利用超声分子束SMBI和普通送气作为密度调制源，用七道HCN激光干涉仪测量调制引入的密度扰动信号，研究在两种不同加料方式下的粒子输运特性。研究输运系数与放电参数的相关性；改变等离子体密度及其剖面，比较不同的密度剖面对粒子输运的影响。改变SMBI的粒子穿透深度，研究粒子源位置对粒子输运的影响。改变等离子体电流方向，测量粒子输运系数，与新经典Ware pinch理论相对比；完善并确立J-TEXT等离子体的粒子输运模型。

为研究粒子输运行为，J-TEXT开展了用于扰动输运研究的密度调制实验。密度调制源采用了普通送气和超声分子束SMBI。在各种等离子体实验参数下研究了调制频率和幅度对实验的影响，调制频率的范围为6.6Hz~33Hz，扰动幅度范围为6%~20%。除了原有的七道HCN干涉仪，新建的三色偏振干涉仪系统也被用于调制产生的扰动信号的测量，两个系统获得的实验结果吻合得很好。J-TEXT目前采用的粒子输运模型为向外恒定的扩散系数与向内的线性增长的对流模型，这种模型可以很好的解释粒子输运行为。J-TEXT装置上通常粒子扩散系统D的范围为0.2~1.2 m^2/s，对流速率V的范围为0.7~16m/s。通常粒子对流速度方向向内，在低密度条件下，V会呈现向外的趋势。我们获得了粒子输运系数和密度的定标关系,粒子扩散系数D随密度的上升而下降，而对流速率V随密度的上升而上升。当等离子体密度接近密度极限而最终破裂时，等离子体输运系数，特别是粒子对流速度会明显增大。利用密度调制实验数据，我们计算了粒子约束时间，粒子约束时间会虽然密度的增长而增长，最后呈现饱和的趋势。当Ip=180KA，纵场Bt=2.0T时，密度增加到2.9×10^19m^(-3)左右时，粒子约束时间开始饱和。为研究扰动场下的粒子输运行为，我们在外加扰动场投入时，进行了密度调制实验，计算获得的粒子输运系数与理论预言具有一致性，即扰动场投入时产生的磁扰动会增强粒子输运行为。