测地声模带状流的径向传播特性及其在约束改善中关键作用的实验研究

Geodesic acoustic mode is the high frequency branch of zonal flows, which can reduce the radial transport level by regulating the amplitude of turbulence. Geodesic acoustic mode propagates radially with finite radial wavenumber. And in process of its radial propagation, the nonlinear coupling between the local ambient turbulence and remote geodesic acoustic mode or the coupling between local eigen geodesic acoustic mode and remote geodesic acoustic mode will happen. Finally, the nonlinear coupling will give a radial profile of geodesic acoustic mode different with the profile determined by the local plasma parameters. The main purpose of this project is to investigate the nonlinear radial propagation of geodesic acoustic mode and discover the key machanism the geodesic acoustic mode affecting the turbulence transport. The experiments of this project will be carried out on the edge of EAST, HL-2A and JTEXT tokamaks with special Langmir probe arrays.And in these tokamak plasmas, high confiment discharges have been achieved, which provide good research platform for this project.

测地声模带状流是高频分支的带状流，它从背景湍流中获取能量，能够调节湍流幅度，通过剪切作用来降低湍流径向输运水平，另一方面测地声模具有磁面对称特性，它本身不驱动径向的输运，因此测地声模在约束改善中将起着重要的作用。测地声模在径向上以有限波数传播，在传播的过程中测地声模同当地背景湍流及当地测地声模发生非线性相互作用，最终叠加形成与本征模定标不一样的分布特性，这些径向非线性相互作用的研究将是理解测地声模与背景湍流的径向输运关联的关键。本课题的目的是测量测地声模在径向上的非线性传播特性，并以此来研究测地声模在抑制湍流输运中的所起到的关键作用。本项目的实验将在国内EAST、HL-2A及JTEXT托卡马克边界上通过特殊构造的Langmuir探针整列来完成，在这些大中型托卡马克装置上都已经高约束模或者观测到约束改善迹象，为本项目的研究提供了良好的研究平台。

测地声模带状流是高频分支的带状流，它从背景湍流中获取能量，能够调节湍流幅度，通过剪切作用来降低湍流径向输运水平，另一方面测地声模具有磁面对称特性，它本身不驱动径向的输运，因此测地声模在约束改善中将起着重要的作用。测地声模在径向上以有限波数传播，在传播的过程中测地声模同当地背景湍流及当地测地声模发生非线性相互作用，最终叠加形成与本征模定标不一样的分布特性，这些径向非线性相互作用的研究将是理解测地声模与背景湍流的径向输运关联的关键。本项目在偏压电极诱发的约束改善实验中首次观测到了测地声模带状流，给出坚实的测地声模带状流存在的证据，并给出该条件下测地声模的三维谱特征；并通过测量涨落量引起的径向输运项，给出测地声模在约束改善实验中的作用，结果表明，测地声模的对称性能够有效抑制向外粒子通量，而且通过吸收湍流能量，有效抑制湍流引起的径向输运，结果还表明测地声模带状流能够提供部分剪切效果，即对于功率阈值的降低有显著效果。本项还通过三维磁探针测量获得了测地声模磁场分量，并与理论值相符，同时本项目的测量给出测地声模带状流电流片结构的实验证据，证实了测地声模的径向局域性，初步给出测地声模的径向结构特征；还使用径向耙式探针对测地声模的径向特征进行测量，给出测地声模的径向传播特征，同时也给出测地声模在径向传播中与背景湍流的相互作用，给出多测地声模的实验观测和物理解释。在本项目实施过程中发展出来的涨落量引起径向输运的分析方法为相干模向内输运与台基建立动力学研究奠定了分析基础。本项目还给出约束改善中带状流份额的演化，证实了带状流和背景湍流之间的“猎物-捕猎者”竞争关系，揭示带状流在约束改善中的重要作用。