阿尔芬波与球形托卡马克等离子体耦合的研究

阿尔芬波与等离子体良好的耦合是在SUNIST球形托卡马克上开展阿尔芬波电流驱动（AWCD）实验的前提。通过改变放电条件，对环向磁场、等离子体电流、电子密度、射频源的工作频率以及天线的激励相位等参数进行系统的扫描，可以在寻找最佳的工作参数区间的同时，获得球形托卡马克等离子体的阿尔芬波阻抗谱，并初步了解强形变等离子体中的各种阿尔芬本征模式。利用SUNIST装置放电的特点，可以跟踪环径比连续变化的过程中天线负载阻抗的演变，研究天线的耦合效率与环径比的关系；并与天线的设计指标对比，检验一维MHD计算的适用范围。结合微波反射计、静电探针以及光谱仪，在获得天线附近的密度分布扰动以及杂质演化的基础上，我们还希望较深入地探讨射频鞘层与天线耦合效率之间的联系以及其中的物理机制，并通过调节天线限制器位置、激励相位等手段寻找优化耦合的方案。

经过本项目的研究，我们较为全面地了解了阿尔芬波与球形托卡马克等离子体的耦合特性。..通过测量天线的负载阻抗，可以间接了解阿尔芬波与等离子体的耦合特性。天线的阻抗通过射频电压除以射频电流得到，包含实部和虚部两个部分。其中，实部反映了射频波在等离子体中的能量沉积，是我们最为关注的部分。在安装氮化硼天线限制器前，我们得到了裸天线的射频阻抗谱。通过与MHD计算结果进行对比，我们发现两者在趋势上非常相似。这意味着，没有安装限制器的天线，与等离子体耦合非常紧密，阻抗谱呈现出与一维MHD计算结果较为一致的特征，可以根据计算较好地预测耦合程度，为实验提供指导。..但是，从射频源受到等离子体的扰动而停振以及碳、氧杂质谱线的增加等现象可以看出，无限制器的裸天线是无法真正用于大功率的加热或者电流驱动实验的。为此，我们给天线安装了由氮化硼板组成的限制器。通过改变环向磁场的强度和工作气体，我们对安装限制器以后天线阻抗的特性进行了了解。天线在有等离子体情况下的实阻抗明显高于真空条件下的实阻抗。此外，氦等离子体的实阻抗也要稍微高于氢等离子体。我们推测，这是由于目前我们放电的等离子体电子密度稍微低于共振要求的密度导致的。较重的氦核弥补了密度的不足，使得等离子体更加接近于共振条件。另外还应该看到的是，安装限制器以后，天线阻抗随磁场（与调节频率的意义一样）的变化幅度明显小于无限制器时的结果。这意味着等离子体参数的变化与天线阻抗的关系较弱，或者说此时天线与等离子体的耦合明显弱于无限制器的情况。这种结果可能与我们目前安装的天线限制器过于靠近等离子体有关系。这种安装可以对天线形成较为完善的保护，但却大幅减弱了天线与等离子体之间的耦合。..项目原计划研究耦合与等离子体大小半径的关系，但在实际的实验过程中我们发现，随着等离子体大小半径的收缩，等离子体与天线之间的距离逐渐增加，耦合迅速减弱至无法测出的水平，因此，这部分内容目前没有得到有效的结果，但我们已经提出了解决办法，可在未来继续研究。