托卡马克等离子体中电子逃逸产生机制综述

竹锦霞

(四川文理学院 物理与机电工程学院，四川 达州 635000)

0 引言

逃逸电子是核聚变等离子体物理学、加速器、天体物理等领域中一个重要研究对象.托卡马克等离子体中的电子不仅受到与其它粒子的碰撞阻尼力，还受到环形电场的加速力.一部分速度大的热电子或者是快电子受到的碰撞阻力小于环形电场力时，就会不断地被加速到很高的能量.当热电子受到的碰撞阻尼力平衡于环形电场力时，电子速度即称为逃逸的速度阈值.由于托卡马克等离子体中的电子的分布函数呈现麦氏分布，有小部分的高能尾部存在，在低杂波电流驱动(Lower Hybrid Current Drive，LHCD)和电子回旋共振加热(Electron Cyclotron Resonance Heating，ECRH)等离子体中，高能尾部分布更强，这些高能尾部很容易成为逃逸电子.

由于逃逸电子的能量高，且在等离子体破裂时会局域地轰击装置的第一壁材料，损伤材料的性能和寿命.［1-2］逃逸电子的产生，特别是雪崩式的次级产生过程对目前以及下一代大型装置(ITER)的第一壁材料有重要影响.［3］试探粒子模型是分析逃逸电子行为的有效工具，理论研究已经提出了一系列试探粒子模型来解释逃逸电子的产生、约束、损失以及受磁涨落的输运.［4-5］本文根据国内外发表的一系列资料，介绍了热核聚变研究中不同放电条件下逃逸电子的产生过程以及实验证据.

1 逃逸电子的主要产生机制

1.1 逃逸电子的初级产生机制

狄拉克首先发现了逃逸电子的初级产生机制，［6］电子逃逸的阈值速度

表示为逃逸的能量阈值

上式中Zeff为有效电荷数，e为电子电荷，lnΛ为库仑对数，ne为电子密度，ε0为真空介电常数，m0为电子的静止质量，E为电场强度.

1.2 逃逸电子的次级产生机制

由于在许多装置上发现了逃逸初级产生机制无法解释的逃逸现象，从而提出了次级逃逸机制.［7］次级产生过程，也称为雪崩过程.是指已经存在的高能逃逸电子和本底电子发生近距离库仑碰撞，使本底电子获得比逃逸阈值高的能量而成为逃逸电子.而这些逃逸电子再和本底热电子发生碰撞，产生更多的逃逸电子，逃逸数目呈现指数性增长，所以也称为雪崩过程.

次级逃逸过程的产生速率为

无逃逸损失时的雪崩时间常数为［8］

2 不同放电条件下产生逃逸电子的实验现象

2.1 欧姆放电下电子逃逸的雪崩过程

20世纪90年代初，随着各国托卡马克装置上逃逸电子诊断的不断改善和进一步发展，逃逸电子的实验研究引起了高度重视.位于德国Juelich的TEXTOR装置是偏滤器位形，该装置在托卡马克逃逸电子实验方面做了大量的研究，并且取得了很多重要的实验结果.［9-11］根据逃逸数目随指数增长以及在等离子体密度增加后逃逸电子数目继续增长，表明次级产生过程对逃逸电子的产生有重要贡献.

2.2 电子回旋共振加热期间逃逸电子产生的实验现象

HL-2A装置是我国第一个偏滤器托卡马克实验装置，于2002年12月在四川成都建成，该装置的成功建设和良好运行，使我国在托卡马克物理与工程技术，特别是在等离子体加热、磁流体不稳定性、新的加料技术和偏滤器物理与工程等核聚变核心技术方面有了很大的进步.［12］HL-2A上有着丰富的逃逸电子诊断系统，包括:硬射线测量系统、硬射线能谱测量系统、快电子测量系统、裂变室中子测量系统、射线能谱测量系统、软成像系统、电子回旋辐射测量系统.这些丰富的诊断系统为逃逸电子的全面监测提供了必要手段.辅助加热条件下逃逸电子的实验研究是托卡马克等离子体研究中的重要课题.1971年在苏联的TM-3和TUMAN-2上进行电子回旋共振加热实验.80年代开始，其它许多国家也都开展了托卡马克中ECRH的实验研究.最近HL-2A上也进行了ECRH的实验，在ECRH期间进行超声分子束注入(Supersonic Molecular Beam Injection，SMBI)，并在ECRH＆SMBI实验中对逃逸电子的行为进行了研究.［13］从硬X射线辐射强度和中子诊断监测可以看出，在ECRH之前硬X射线辐射强度几乎为零，中子计数也为零，表明了ECRH逃逸电子数目几乎可以忽略.在ECRH＆SMBI期间硬X射线辐射强度和中子记数迅速增加，即电子逃逸增强.

2.3 低杂波电流驱动与离子伯恩斯坦波协同加热下逃逸增强的实验研究.

自从N.J.Fisch在1978年提出低杂波驱动电流的理论思想以来，LHCD的理论和实验研究发展迅速，并取得了突破性进展.［14］由于低杂波功率的限制等原因，通常实验中的LHCD环电压并不为零，剩余环电压加速波驱动的快电子可以获得几百keV的能量.这些高能快电子的能量接近逃逸能量阈值，快电子在一定条件下可以成为逃逸电子的种子，诱发逃逸.

图1 LHCD放电波形

图2 LHCD+IBW放电波形

HT-7是国内第一个超导托卡马克装置，它的主要研究方向是稳态等离子体条件下先进托卡马克运行的物理和相关技术问题.LHCD下逃逸增强的实验现象已被详细研究.［15］全部利用波对等离子体加热和驱动是HT-7超导托卡马克有别于国外同类型装置的特色之一.［16］HT-7实验组研究了在离子伯恩斯坦波(IBW)与LHCD协同加热等离子体实验中逃逸电子行为，如图1和图2所示.［17］通过伽马射线探测系统、电子回旋辐射测量系统以及中子诊断观察到LHCD+IBW协同运行下逃逸产额增强.逃逸产额的提高是由于两波的协同作用.因为通过LHW和IBW的准线性扩散下的电子分布函数依赖这两种波.由于IBW加热对分布函数的影响从而导致了电子分布函数在速度空间展宽，填补了LHW谱的谱隙，电子被加速到更高的平行速度，导致了逃逸电子产额增加.

3 结论

由于逃逸电子对装置第一壁材料的损坏，逃逸电子的产生已经收到了理论和实验研究的广泛重视.到目前为止托卡马克装置中逃逸电子的产生机制主要有两种:初级产生机制和次级产生机制.本文根据国内外发表的一系列资料，详细介绍了不同放电条件下产生逃逸电子的实验现象，对深入理解逃逸电子的产生机制提供了实验基础.

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