托卡马克磁拓扑结构对外加螺旋扰动磁场响应的研究

In recent several years, active control of MagnetoHydrodynamic instabilities, such as neoclassical tearing mode, resistive wall mode, and Edge localized modes (ELMs), by using external helical magnetic perturbations have become a hot topic. A key issue in these researches is the plasma responses to the external resonant magnetic perturbations (RMPs). Under the effects of RMPs, a screening current in the rotating plasma will be induced, and may change the magnetic topology. Therefore, study on responses of magnetic topology to external RMPs is an essential precondition for understand the plasma responses. In this project, we plan to observe and study the responses of magnetic topology to external RMPs on J-TEXT by using the rotating and pure RMPs. For internal plasma, we plan to observe the plasma internal magnetic perturbations during mode penetration procedure by applying resonant 1/1, 2/1 and 3/1 perturbations, respectively. At plasma edge, we investigate the distortion of plasma shape. The combination of results of the edge shape distortion and the evolution of internal magnetic perturbation will be used to analyze the changes of magnetic topology and their dependence on the plasma and RMP parameters. The related research will be very helpful to give a well insight into plasma responses to RMPs.

利用外加螺旋扰动磁场控制等离子体中各种磁流体不稳定性（新经典撕裂模、边界局域模、电阻壁模等）已成为近年来国内外的研究热点。这些研究的一个关键问题是理解等离子体对外加扰动磁场是如何响应的。外加螺旋扰动磁场在转动的等离子体中会感应屏蔽电流，从而对磁拓扑结构形成修正，观察分析扰动磁场作用下等离子体磁拓扑结构的变化是研究等离子体响应的基础。本项目拟在J-TEXT上利用可转动的、共振模式单纯的外加扰动磁场，通过实验研究等离子体内部和边界磁拓扑结构的响应。分别施加共振模式为1/1、2/1或3/1的扰动磁场，在等离子体内部，观察模穿透过程中磁扰动演化过程；在等离子体边界，观察扰动磁场作用下等离子体边界磁面形状的变化。结合实验现象,在理论上研究等离子体中磁拓扑结构受外加螺旋扰动磁场的影响机理。项目的执行可为进一步理解等离子体对外加扰动场的响应提供参考。

外加螺旋场在托卡马克的不稳定性控制中，如ELMs控制、电阻壁模控制、锁模控制等，都发挥着很重要的作用，但等离子体对外加螺旋场的响应机制还并未弄得很清楚，如共振有理面的屏蔽电流结构、与外加场的相位关系等还少有被直接观察到，外加螺旋场对等离子体边界磁拓扑结构的改变情况，也是在近几年才在实验上通过辐射结构间接地被观察到。所以，开展等离子体中磁拓扑结构对外加螺旋磁场的响应研究具有十分重要的意义。. 本项目在J-TEXT托卡马克上利用转动扰动场系统产生交变的扰动磁场，使得等离子体的响应也是交变的，观测更加便利，同时，项目利用外部磁探针阵列与扰动场线圈空间上相距较远的特点，直接观测转动螺旋场作用下的屏蔽电流的特征。研究发现，外加转动螺旋场将在共振有理面感应屏蔽电流，屏蔽电流倾向于完全屏蔽有理面以内的磁场，所以其产生的磁场与外部磁场相位基本相反，在有理面产生的电磁力矩被粘滞力矩平衡。当外部磁场增强时，电磁力矩增大，力矩平衡被破坏，进而发生穿透，穿透后形成磁岛，磁岛的扰动磁场相位与外加螺旋场相位相同。研究中还发现，等离子体中本身存在撕裂模时，共振有理面同样会感应屏蔽电流，且该屏蔽电流会与磁岛作用产生电磁力矩，使磁岛相位发生振荡。项目还利用高速可见光相机观察了等离子体边界辐射分布，发现了不均匀的三维结构，项目组认为是边界磁岛导致的，但目前证据还不够充足。后期，项目还将继续沿着项目拟定路线，进一步研究等离子体磁拓扑结构的改变，尤其是边界结构的变化，以及三维磁拓扑对等离子体输运、杂质、热分布等的影响。