基于汤姆逊散射的EAST边界局域模丝状结构统计特征的实验研究

The physics research related to Edge-localized mode (ELM) is one of the important issues which is magnetic confinement fusion research. ELM-filaments carry directly parts particles and energy of ELMs, which deposit within a short time and locate in a small area. As a result, ELM-filaments could cause locally serious heat and particle deposition, leading to material erosion of both the first wall and divertor target plates, impurity sputtering and particles recycling problems. Due to the limit of diagnostic techniques spatial and time resolution, the fine structure of electron temperature and density profile of ELM-filaments has not been investigated so far in our country. This application takes aim the importance and reality of filaments and is based on the actual high spatial resolution edge Thomson scattering diagnostic. Using multi-beam combiner technology to improve the time resolution(up to 8 microseconds) and real-time monitoring of beam boundary to improve density measurement accuracy and reliability of the system, the applicants schedule to achieve the synchronization and accurate measurements of ELM-filaments electron temperature and density distribution. In addition, both analyzing the experimental data of different plasma parameters (especially the density) and different discharge shapes, and studying the features of filaments evolution (especially the attenuation scale) are also an important research subject. The completion of this project will provide the basic tools for other fast physical processes study, such as L-H transition and the experimental results should supply a reference for EAST H-mode operation.

边界局域模（ELM）相关物理是目前磁约束聚变研究的重要课题之一。ELM丝状结构（filaments）直接携带了ELM的部分粒子和能量，短时间内沉积在很小的区域，所以丝状结构会引起很大的局域热量和粒子沉积，导致第一壁和偏滤器靶板材料的侵蚀，带来杂质溅射和粒子再循环问题。由于诊断技术时空分辨能力的限制，ELM-filaments温度和密度演化精细结构的研究在国内尚未开展。本课题正是针对其问题的重要性和现实性，提出以边界高空间分辨率汤姆逊散射诊断为主要工具，通过实现多道激光合束技术提高系统的时间分辨率、设计光束同步监测系统提高电子密度测量的精度和可信度，实现对ELM-filaments电子温度和密度分布参数的同步、精确测量。研究不同密度和放电位形的实验数据，统计分析其演化特征和衰减尺度。本课题的完成将为EAST上L-H转换等快过程的研究提供基本工具，为EAST高功率、长脉冲H模放电提供参考数据。

边界局域模（ELM）及边界台基相关物理是目前磁约束聚变研究的重要课题之一。本项目以高分辨边界诊断系统为主要工具，聚焦 ELM及其引起的边界参数的精细分布和演化，在EAST上开展了边界物理实验研究工作。项目开展期间，完成了EAST多道汤姆逊散射诊断系统的升级工作，可以实现上半空间剖面分布和边界台基结构的演化分布测量。完成了4道激光合束系统的设计建设工作，获得了较好的实验数据，为 EAST装置开展超快物理研究奠定了基础。完成了散射信号同步监测和光纤位置自动校准系统的设计和建设工作,将显著提高系统的精度，尤其是密度测量准确性。 开展了EAST台基结构特征和ELM间隙台基演化实验物理研究工作。实验证实了电流对基座结构演化的影响，较高电流时（500kA），基座高度增加直至下一个ELM建立；中小电流时，基座在ELM周期的前~30%即达到饱和。而各种电流平台下，基座宽度在ELM周期的前~70%增长，然后保持稳定，但增长的幅度不同。电流不影响基座宽度和极向磁压比的定标关系。基座高度随电流呈现近似平方的增长关系（先慢后快）。 ELM引起的能量损失随着基座碰撞率的增加而减小，这主要是因为基座温度改变量的减小。低碰撞率时基座能量损失主要来自于基座温度高度的下降而高碰撞率时主要因为粒子损失。 围绕ELM及其精细结构ELM filaments开展了研究工作，实验发现第一类ELM以丝状结构在径向传播，径向传播速度在1-2km/s，据单电流模推算丝状结构电流在10kA量级。赴英国卡拉姆科学中心合作研究，开展了Inter-ELM基座结构演化和强、弱场侧基座结构对称性研究工作。应日本NIFS邀请，赴日本开展了汤姆逊散射诊断系统关键技术合作研究工作。本课题的完成为EAST上L-H转换等快过程的研究提供了基本诊断工具，为EAST高功率、长脉冲H模运行提供了参考数据。