球形托卡马克中电子伯恩斯坦波模式转换实验研究

The electron Bernstein wave (EBW, B wave) is a kind of quasi-electrostatic waves with a short wavelength in hot magnetized plasmas. There are no density cutoff in the propagation of the EBW, a very strong cyclotron damping at all harmonics, and a parallel refraction rate much larger than 1, therefore the EBW is a very candidate for heating and current drive in the stellarator and spherical Tokamak, where the density can be rather high. In high temperature fusion plasma, the mode conversion of electromagnetic wave in the electron cyclotron range of frequency is an effective method to produce electronic Bernstein wave. This project is proposed to carry out the experimental research on the mode conversion from the electromagnetic wave to the EBW using a 5GHz/200kW microwave system in the SUNIST spherical tokamak. Through accurate measurement of the conversion process and active control of the boundary density gradient , two methods will be extensively investigated, including fast extraordinary wave - Bernstein wave (FX-B) and ordinary wave- slow extraordinary wave – Bernstein wave (O-SX-B). Then, the O-FX mixed injection scenario and the physics involved will be studied. The possibility of serving the EBW as a regular plasma heating and current drive means in fusion plasma will be preliminarily explored.

电子伯恩斯坦波是存在于磁化热等离子体中的一种短波长准静电波，它的传播不存在密度限制，在所有谐频处都有很强的回旋阻尼，而且可以拥有远大于1的平行折射率，非常适合仿星器和球形托卡马克这类高比压等离子体的加热和电流驱动。对于高温聚变等离子体，通过电子回旋频段的电磁波的模转换是产生电子伯恩斯坦波的一种有效方法。本项目拟在SUNIST球形托卡马克上，利用5GHz/200kW微波系统，开展电子伯恩斯坦波模式转换的实验研究。通过对转换过程的精确测量和对边界密度梯度的主动控制，研究快非寻常波-伯恩斯坦波和寻常波-慢非寻常波-伯恩斯坦波两种途径下模式转换的机制和规律，进而实现两种模式混合注入的优化配置并研究其中的物理，初步探索伯恩斯坦波成为常态化的聚变等离子体加热和电流驱动手段的可能性。

电子回旋波在高密度/高比压等离子体中面临严重的可近性问题，这限制了其在球形托卡马克等高约束装置中的应用，而电子伯恩斯坦波则不受此限制。本项目通过电子伯恩斯坦波辐射测量和波加热实验，对电子伯恩斯坦波在SUNIST球形托卡马克放电中的模式转换和能量沉积过程进行了详细研究。对不同环向位置和不同放电阶段的边界密度梯度Ln进行了充分和详细的测量，发现当前SUNIST装置欧姆放电边界自发形成的Ln有利于微波实现较高效率的X-B转换，而不利于采用O-SX-B转换。在SUNIST上实验实现电子伯恩斯坦波的模式转换，转换效率超过50%，但是参量不稳定性和高能量电子阻尼等边界吸收过程阻止了能量向等离子体芯部传播沉积。.本项目在硬件上发展了一套高功率微波系统，一套双偏振多频率的电子伯恩斯坦波辐射测量系统和一组多位置边界探针系统，在软件上，发展了一套数值计算模型，包括天线仿真计算，模式转换全波计算和电子伯恩斯坦波传播波迹计算等部分，可以预测实际的模式转换效率和能量沉积位置。在此基础上开展了电子伯恩斯坦波辐射测量实验和电子伯恩斯坦波加热实验。.在电子伯恩斯坦波辐射测量实验，本项目发现：天线的位置和角度可以影响天线辐射模式，从而影响模式转换效率和辐射测量结果；辐射强度的实验测量结果与计算模型给出的结果一致，通过二者的对比，可以推测出模式转换层的位置，该位置与静电探针测量的密度剖面吻合；实验与计算结果的对比，验证了计算模型的可靠性，该模型预测加热实验的模式转换效率可以达到60%。.在电子伯恩斯坦波加热实验中，通过对微波注入条件和放电条件的扫描，本项目发现：约50%的入射波通过模式转换产生电子伯恩斯坦波，对边界等离子体产生了明显的加热效果，能量最终转换为增强的辐射损失和对流损失，没有转换为等离子体内能；电子伯恩斯坦波在边界发生参量过程，边界杂质离子被参量过程低频子波加热，然后通过杂质聚芯效应输运至芯部，引起芯部辐射和密度的增长，芯部密度超过一定阈值时，等离子体将发生小破裂事件；电子伯恩斯坦波在边界还经历高能量电子共振吸收，实验中观察到高能量电子份额增加，放电后期硬X射线辐射增强。.本项目首次详细研究了球形托卡马克电子伯恩斯坦波加热过程中的边界能量沉积过程，为同类型装置应用电子伯恩斯坦波加热提供了重要参考。