反场箍缩位形下发电机效应局域特征实验研究

Generation and sustainment of magnetic fields from dynamics in electricallyconducting media, or so-called dynamo actions, is a universal physical phenomenonin nature and laboratory, which relates to geophysics, astrophysics, plasmaphysics and multi-disciplinary crossing. Since reversed-field pinch configurationhas robust dynamos and rich dynamo effects driven by a variety of mechanisms,it’s the best experimental platform for these problems. Dynamo involves the coreprocess of reversed-field pinch plasmas relax to Woltjer-Taylor state and is thebasic of magnetic self-organization and the key factor to understand theequilibrium and instability of reversed-field pinch configuration.This project based on KTX reversed-field pinch aims to study mode structure andtime-space evolution of dynamo, explore spatial localized feature of dynamo,diagnose the 3D distribution of key physical parameters before and after sawtoothcrash, attempt to give the numerical model and analysis of localized dynamo, findthe effect of the inductive electric field in dynamo, study the dynamo indifferent discharge modes and different parameters and its interrelations withtearing instability and mode coupling, and further understand the equilibrium andtransport process in reversed-field pinch plasmas.

发电机效应是一种普遍存在于自然界与实验室的现象。反场箍缩位形因富含各种不同机制驱动的发电机现象，是此类问题的最佳实验平台。发电机效应是磁场自组织现象的基础组成，是反场箍缩位形平衡与不稳定性的关键因素；也是托卡马克混杂运行模式磁通泵浦自组织改善约束、抑制锯齿震荡的重要原因。申请人利用发展出的涡流诊断技术，首次观测到了dynamo爆发时涡流的环向局域特性及其时空演化，为发电机效应环向局域特性的实验研究打开了突破口。.本项目拟以科大反场箍缩装置KTX为平台，实验研究发电机模式结构及其时空演化，探索发电机效应的空间局域化特征，诊断锯齿崩塌前后关键物理量的三维空间分布，并尝试给出空间局域化的发电机数值模型及其分析；辨析感应电场在发电机效应中的作用，研究不同放电模式及不同参数空间下发电机效应，及其与撕裂模不稳定性产生、模式耦合的相互联系，由此进一步深入理解反场箍缩位形下等离子体的平衡及输运过程。

本项目旨在反场箍缩位形下开展发电机效应的三维特性实验研究。发电机现象普遍存在于自然界与实验室，是反场箍缩等离子体磁场自组织现象的基础组成，也是托卡马克混杂运行模式磁通泵浦自组织改善约束、抑制锯齿震荡的重要原因。开展发电机效应三维物理实验研究，有助于深入理解其触发及时空演化的物理本质，同时也为环形磁约束等离子体其他三维物理研究提供借鉴。通过发展原创的涡流诊断和多道dynamo探针诊断技术，实验测量并首次给出了发电机现象爆发的环向局域结构，分析了发电机现象的三维演化特征。利用极向振荡电流驱动对发电机效应的夹带效应，以及通过涡流复信号分析等方法，观测并统计汇总了发电机爆发前后局域包络和磁流体不稳定性间的幅度、相位信息，提出撕裂模空间幅度调制是引发锯齿崩塌的先兆原因，并实验总结了锯齿崩塌前的包络幅度阈值。.在项目实施期间，在KTX装置上研制了多道dynamo（电容）探针，完善了涡流诊断阵列，覆盖等离子体闭合边界同步给出电场及磁场的信息，为环形等离子体装置三维物理的实验研究提供了原创的诊断基础；针对KTX装置电磁诊断通道丰富且呈不均匀分布，信号包含相位及幅度等特性，给出了KTX装置上不稳定性模式分析优化方案；利用涡流诊断分析，获得了发电机现象电磁场的环向局域结构，确认了发电机效应的三维特征；通过对极向振荡电流驱动对发电机效应引起的锯齿崩塌事件的“夹带”现象研究，分析了dynamo爆发的触发阈值和机制；利用NIMROD数值模拟程序，探索了在 KTX装置参数下准单螺旋态特性，指出了等离子体比压是影响QSH 态出现和维持时间的重要参数。