托卡马克中基于同步辐射特征的高能逃逸电子分布参数演化的研究

At present, runaway electrons still can be a serious threat to the safe operation of Tokamak device. To study the dynamics of runaway electrons and then to mitigate and suppress the threat from runaway electrons, it’s important to diagnose their parameters reliably and effectively. One of the most important and direct methods to diagnose and study high-energy runaway electrons that confined inside plasma is by using the characteristics of their synchrotron radiation. So, it is of experimental significance to study and use the characteristics of the synchrotron radiation from high-energy runaway electrons rigorously and systematically. This project will verify theories of synchrotron radiation spectra from runaway electrons, calculate the general form of synchrotron radiation spectra, build the optimized model for synchrotron radiation pattern and include the synchrotron radiation power term into the model, then diagnose the distributions of runaway electrons by using the characteristics of their synchrotron radiation spectra and pattern, and study tentatively the polarization characteristics of their synchrotron radiation. Researches from both home and abroad just start to perform their studies on these topics. We will have the ability and opportunity to achieve breakthrough results through this project.

逃逸电子目前仍然是可以威胁托卡马克装置安全运行的问题之一。可靠而有效地诊断逃逸电子的分布参数是研究逃逸电子行为进而抑制和控制逃逸电子威胁的重要基础，而利用高能逃逸电子的同步辐射特征将是诊断和研究约束在等离子体内部的高能逃逸电子的一种最重要的直接手段，现在严谨系统地研究及利用高能逃逸电子同步辐射特征有重要的意义。本项目将会梳理校验逃逸电子的同步辐射谱理论，计算逃逸电子同步辐射谱的通用表达式，建立加入同步辐射功率项的优化的描述逃逸电子同步辐射模式的模型，然后利用同步辐射谱和辐射模式特征来研究逃逸电子的分布参数，同时我们也将探索性地研究逃逸电子同步辐射的极化特征。在这些研究方向上，国内外都才刚开始进行深入研究，我们具有取得突破的基础和空间。

本项目利用高能逃逸电子的同步辐射特征作为一种重要的直接手段来诊断和研究约束在托卡马克等离子体内部的高能逃逸电子束，主要研究高能逃逸电子的同步辐射谱、同步辐射模式、逃逸电子分布，并发展逃逸电子相关的诊断。.在逃逸电子同步辐射谱的研究中，本项目基于理论完整解获得了托卡马克中逃逸电子的同步辐射谱；研究了各种同步辐射谱公式的适用条件，及其在各种使用条件下的误差；研究了在什么条件下可以使用近似解来代替理论完整解；研究了目前国际上一些主流托卡马克装置上逃逸电子辐射的本质特征：是更接近于同步辐射还是曲率辐射。在逃逸电子同步辐射模式的研究中，本项目基于我们已经建立的描述逃逸电子同步辐射模式的二维模型，进行了细节优化，加入了同步辐射功率的描述，并考虑了磁面上的磁通守恒效应；新开发了一套研究托卡马克中逃逸电子同步辐射模式的三维程序SRPRE-3D，研究逃逸电子束的空间分布不对称性和同步辐射功率分布的不对称性；引进了逃逸电子同步辐射模式三维程序SOFT，然后以EAST实验数据为主，同时进行SRPRE-3D和SOFT模拟，根据所有的结果综合分析实验过程。在逃逸电子分布的研究中，本项目基于我们在逃逸电子同步辐射谱和同步辐射模式研究上的结果，研究了逃逸电子平均参数的演化情况，研究了逃逸电子分布参数的演化情况，首次在实验上观测到了俘获逃逸电子，并开展了逃逸电子相关磁流体不稳定性的研究。在逃逸电子相关诊断的发展中，本项目在EAST上发展了一套频谱快速中波红外相机系统，用于研究EAST实验中高能逃逸电子束的同步辐射特征；在EAST上升级了一套高能硬X射线诊断系统，用于测量逃逸电子产生的韧致辐射；发展了一个能谱数据解谱算法，用于损失逃逸电子能量分布函数的研究，.本项目的研究结果，对理解约束在等离子体内部的高能逃逸电子的同步辐射特性，并借此研究逃逸电子的空间分布、能量分布和Pitch角分布，进而用于逃逸电子束的约束和控制，具有重要意义。