EAST上测量法拉第旋转效应动力学相和几何相的双色偏振仪诊断研究

For tokamak magnetically confined fusion plasma, to measure and control current densiy profile is very important for understanding the plasma equilibrium, confinement, magnetohydrodynamic(MHD) stability and advanced plasma operation scenarios. The Faraday rotation effect, which can be used to obtain the plasma current density profile by measuring the poloidal magnetic field constructure, is an effective method for plasma diagnostics. Recently, it was found that the Faraday rotation angle contains an extra geometric phase besides the normal dynamical part, which depends on the difference between the dispersion relations of R wave and L wave. The geometric phase depends only on the geometric property of the wave vector in a parameter space instead of the local dispersion relations along the wave's trajectory. The geometric part is sometimes considerably large.When mearsuring the plasma properties, it will bring large errors to misuse the measured Faraday rotation angle as the dynamical part. In this project, a new HCN single chord polarimeter will be set up and combined with the CO2 pumped formic acid three wave polarimeter on EAST.The dynamical phase and geometric phase of the Faraday rotation angle will be measured simultaneously by this combined two-color polarimeter on EAST. Then the dynamical phase of Faraday rotation angle can be obtained precisely. By using the EFIT code and the experimental data of the dynamical phase of Faraday rotation angle, the precision current density profile can be obtained, showing the real plasma properties.

对于托卡马克磁约束装置，测量和控制等离子体电流密度对于理解等离子体平衡、约束、磁流体稳定性和先进的运行模式至关重要。法拉第旋转效应是一种可利用其进行等离子体内部磁场诊断测量进而获得等离子体电流密度分布的有效方法。最近的理论研究发现，非均匀磁化的等离子体中的法拉第旋转角除了包含依赖于左旋波和右旋波色散关系差别的动力学相位之外还包含几何相位部分。几何相只与波矢在参数空间的几何性质有关，某些情况下其大小与动力学相相当甚至更大。因此将测得的法拉第旋转角直接当做动力学旋转角度计算等离子体性质会引起较大的误差。本项目将在EAST上的二氧化碳泵浦甲酸三激光器偏振仪系统基础上，新建一个HCN单道偏振仪测量系统，利用组合的双色偏振仪在实验中同时测得法拉第旋转角度中的动力学相和几何相，从而得到准确的法拉第旋转效应的动力学相，结合EFIT程序计算得到更为准确的等离子体的电流密度分布，准确的描述等离子体的性质。

本项目评估了EAST托卡马克法拉第旋转测量中的几何相效应量级，并为完成几何相位的测量进行了实验设计和基础实验研究。.远红外偏振干涉仪系统是EAST托卡马克上最重要的诊断之一，采用三激光器方案获得等离子体的密度剖面和极向磁场剖面。现有的偏振信号分离手段仅考虑了依赖于等离子体色散关系的动力学相位的影响，却忽略了依赖于波矢在参数空间内几何性质的几何相位。验证法拉第旋转效应信号中几何相位的存在是一个基础物理问题；引入几何相位对法拉第旋转效应测量的影响，可以降低信号处理带来的系统误差，提高偏振仪的诊断精度。.基于射线追踪方程组，模拟电磁波在无碰撞冷等离子体中的传播路径，进而通过路径积分得到几何相位的理论值大小。相应的模拟结果表明，在EAST典型参数放电条件下， EAST托卡马克法拉第旋转效应测量中的几何相位小于系统的分辨率，现阶段很难被直接观察到。.为了在EAST法拉第旋转测量中实现几何相位测量，我们设计了两个实验方案：方案一是在诊断系统光路微调的条件下，通过系统性能的优化实现几何相位测量；方案二是在诊断系统光路重新设计的条件下，通过增大环向角实现几何相位测量。.为了达到实验方案中的条件，我们对关键器件角反射镜的反射特性进行了系统研究，并评估了用角反射镜阵列代替单个角反射镜的优势和可行性，为几何相位测量实验奠定了基础。