EAST抖动L-H转换特征及其物理机制的研究

The dithering L-H transition with an intermediate phase (labeled I phase) preceding the transition has been observed on EAST tokamak. During the I phase, the Da signal, edge density fluctuation level and edge radiation show oscillations. The study has shown: this oscillation mainly occurs at least 2 cm inside the separatrix and extends into scape-off layer (SOL) region;the oscillation length has no clear dependence on the heating power; both stored energy and density increase during the I phase and the increasing rates are slower for longer oscillation length. Based on present results, this proposal will make fine measurement on edge parameters (such as edge turbulence and radial electric field ) using newly developed diagnostics (such as multi-channel poloidal and radial correlation reflectometries) and further study the characteristics and physical mechanism of the dithering L-H transition on EAST. In addition, the dithering L-H transition on EAST will be modelled using BOUT++ simulation code and the simulation results will be compared with the experimental results. These studies will have important implications for understanding of the L-H transition mechanism in tokamak plasma.

EAST托卡马克上已经观察到抖动L-H转换，即等离子体在L-H转换之前存在一个中间过程，Da信号、边界密度涨落幅度和边界辐射具有振荡行为。研究表明：这种振荡主要发生在分离面(separatrix)里面至少2 cm并延伸至刮削层区域；振荡的长度与加热功率无明显依赖关系；在这个中间过程，等离子体内能和密度缓慢上升，并且振荡长度越长，上升速率越慢。本项目将在已有的研究基础上，基于EAST上新近发展的诊断(如多道极向和径向相关反射计)，对边界参数(如边界湍流和径向电场)进行精细的测量，进一步研究这种抖动L-H转换的特征和物理机制。同时该项目将使用BOUT++边界湍流模拟程序对这种抖动L-H转换进行模拟，并与实验结果进行比较。这些研究对于理解托卡马克等离子体L-H转换的物理机制具有重要意义。

托卡马克装置中的L-H转换的物理机制仍然不清楚，由现有装置结果得出的定标律所计算出来的ITER的L-H转换功率也具有很大的不确定性，因而需要进一步理解L-H转换过程中的物理机制。EAST装置在L到H转换过程中，在D_alpha信号上经常观察到一种振荡行为，我们称之为抖动(dithering)L-H转换。本项目拟对该过程进行研究，以期进一步理解L-H转换的物理机制。在本项目的资助下，我们进一步在EAST上完善了微波反射仪诊断，总结了抖动L-H转换的宏观特征，获得了抖动L-H转换过程中密度、温度和压强剖面、湍流时间演化的微观特征，并初步研究了湍流时间演化与宏观参数(如密度)的关系。利用BOUT++三场模拟程序对dithering等离子体边界的稳定性进行了分析，发现这些等离子体中的湍流可能主要由电阻气球模主导。进一步研究了低杂波加热下L-H转换的阈值功率。在高纵场(Bt=2.35T)等离子体中，首次观察到了阈值功率(P_LH)对于弦平均密度的’U’型依赖关系，即在低密度下功率阈值随密度上升而下降，而当密度超过一个值<ne>_min，阈值功率随密度上升而上升。而在低纵场(Bt=1.7-1.9T)等离子体中，P_LH随弦平均密度上升而上升。对等离子体发生抖动L-H 转换后的边界相干模进行了研究。发现主要存在两种模式的相干模，第一种是频率随着台基的演化而逐渐下降，我们称之为Coherent modes (CMs)。该相干模的极向波数为0.5 -0.7 cm^-1 ，在装置坐标系下的传播方向为电子逆磁漂移方向。另外一种模式是在ICRF主导加热的等离子体中出现，在台基演化过程中该谐频模的频率较稳定。边界磁探针上也能清晰地观察到此模式，分析表明该模式环向模数为n=-1, -2, -3，负号代表在电子逆磁漂移方向旋转，我们称之为low-n harmonic oscillations。