边界等离子体丝状结构的实验研究

研究丝状等离子体如何影响横越磁场的对流输运、粒子的再循环和运行密度极限等等。采用静电探针阵列和高速CMOS相机观测丝状等离子体的产生位置、统计和传播特性。拟利用新设计的沿径向、极向和环向布置的组合静电探针阵列和高速CMOS相机，观测丝状等离子体的三维空间结构及其频谱特性和传播速度，确定丝状等离子体的可能产生机制，研究刮离层中湍流丝状等离子体如何影响对流输运。利用组合静电探针阵列研究高约束放电中边缘局域模（ELM）不稳定性产生丝状等离子体的三维结构和频谱特性，利用高速CMOS相机观测ELM丝状等离子体的空间尺度及其传播速度，比较湍流丝状等离子体与ELM丝状等离子体在时空结构和传播速度等方面的异同点，比较它们的产生位置和可能的机制。改变等离子体放电的密度，研究不同密度下湍流丝状等离子体和ELM丝状等离子体的特性，探索研究丝状等离子体如何影响放电的密度极限。

本项目通过开展边界等离子体丝状结构的实验研究，设计了一套性能独特的环向相距60度的径向梳状形探针阵列和极向弧形耙子探针阵列，首次成功地开展了丝状等离子体的三维特性研究。测量结果表明，丝状等离子体的径向和极向尺度分别为1cm和1.5cm。随等离子体线平均密度的增加，丝状等离子体的爆发频率从每秒6000-10000 降低到每秒2000-4000，而对应的Hole的爆发频率从每秒2000-4000增加到每秒8000-10000，这一实验结果与理论模拟结果相符。当长程相关的两探针处在同一条磁力线上时，其相关系数可达0.9以上，估算的平行波数值与理论模型的预测一致。三维空间结构的测量给出了丝状等离子体结构的产生和传播过程的直观图像，其极向平均流速在(1~2)千 米/秒，径向运动速度为（0.8-1.8）千米/秒，表明丝状结构的传播主要由湍流的极向流剪切所驱动。每次ELM不稳定性爆发后，都会产生大尺度的丝状等离子体结构。在超声分子束注入（SMBI）以后， ELM的爆发频率能提高2-3倍，相应的幅度会降低20-30%，暗示大尺度的丝状结构已经被SMBI所抑制，产生了更多的小尺度的丝状结构。丝状等离子体的产生率会随径向速度的增加而下降，在SMBI后下降得更快，径向速度大于1km/s 的产生率被极大地抑制了。在SMBI后， ELM爆发导致的大尺度丝状结构会变成一种低频振荡，也叫极限环振荡，其频率大约为2-3 kHz，这种振荡有助于研究L-H模式转换的物理机制。.此外，我们还观测到湍流幅度增加同时电子压力梯度不断下降的一种新的极限环振荡，并命名为type-J LCO。利用高速相机观测丝状等离子体特性的研究正在进行之中，并将与探针阵列的测量结果进行细致的比对，预期会做出更多有特色的成果。