托卡马克中低杂波电流驱动下高能电子行为分析

竹锦霞

(四川文理学院智能制造学院，四川达州635000)



托卡马克中低杂波电流驱动下高能电子行为分析

竹锦霞

(四川文理学院智能制造学院，四川达州635000)

在低杂波电流驱动下，快电子和逃逸电子构成了非麦克斯韦电子分布的高能尾部.高能快电子由于低的碰撞频率可以有效的携带电流来实现非感应电流驱动.但是在一定条件下，快电子可以转化为高能逃逸电子，这将对装置第一壁材料造成损伤.利用快电子轫致辐射测量以及逃逸电子诊断系统研究了低杂波电流驱动下快电子分布和逃逸电子的产生，并分析了快电子转化为逃逸电子的现象.

低杂波电流驱动；高能电子；转化

0　引言

在环形电场的作用下，当部分快电子受到的碰撞阻尼力小于电场力时会不断的被加速到高能区，它将和本底等离子体解耦，自身处于一个相对稳定的状态.逃逸电子能量很高(可达数MeV)，若高通量的逃逸电子释放能量到装置第一壁时，它会严重损坏该处壁材料.低杂波驱动下的快电子能量可接近于逃逸能量阈值，在一定的条件下通过准线性扩散可以增加电子在速度空间的扩散，并越过逃逸的速度阈值，从而增强逃逸.[3]为了下一代装置的稳态运行，理论和实验上都需要研究托卡马克中高能电子的产生，约束以及损失行为，并探索有效的抑制逃逸电子的手段.在国内外的托卡马克装置上，如TEXTOR，DIII-D, EAST, HL-2A在实验方面对逃逸电子进行了大量研究.[4-6]

本文利用快电子轫致辐射测量系统以及逃逸电子诊断系统，研究了低杂波电流驱动下快电子分布和逃逸电子的产生，并分析了快电子到逃逸电子之间的转化现象.

1　快电子分布以及逃逸电子产生机制

在托卡马克等离子体放电过程中，不仅低密度的欧姆放电下有快电子存在，特别是LHCD过程中，会产生大量的快电子.准线性福克-普朗克方程以及三温分布模型是描述快电子分布函数的两个主要模型.[7]图(1)为根据福克-普朗克方程计算的LHCD电子平行速度分布函数.图中速度分布函数中出现了速度平台，这是LHCD的结果.

图1根据福克-普朗克方程计算的LHCD的电子平行速度分布函数[7]

逃逸电子的产生机制主要有：初级产生机制，次级产生机制和hot-tail产生机制.[8]初级产生是当电场力大于碰撞阻尼力而产生的逃逸，也称为Dreicer产生机制.次级产生过程称为雪崩过程，它是已经存在的逃逸电子和本底电子发生近距离的库仑碰撞，使其获得高于逃逸阈值的能量，而成为逃逸电子.已经存在的逃逸电子会以“逃逸种子”的方式，呈现指数的雪崩增长.hot-tail产生机制是指在等离子体破裂时，通过向内部注入弹丸或稀有气体的方法来缓解破裂对装置的危害.它仅能冷却电子分布函数中的低能部分，但高能部分的电子来不及被其他粒子的碰撞来冷却，在环形电场不断增加下，临界逃逸阈值能量降低，高能尾部电子就会转化为逃逸电子.

2　实验现象

低杂波通过平行朗道阻尼将热电子加速到共振能量，产生的高能快电子由于碰撞频率低，速度高，可以有效携带非感应电流.装置中的快电子与本底等离子体相互作用产生轫致辐射，辐射出的 X 射线能量范围在 10-200keV.通过快电子轫致辐射测量系统(FEB)可以得到LHCD条件下等离子体中快电子的相关信息.逃逸电子轰击装置第一壁时产生高能硬X射线，它的能量可高达几十MeV, 通过该阵列能有效的监测逃逸电子.另外，电子回旋辐射诊断(ECE)为LHCD实验以及低能逃逸电子提供了辅助测量手段.

图2　低杂波电流驱动的放电波形

(a)等离子体电流，(b)等离子体表面环电压，(c)中心弦平均电子密度， (d) ECE 辐射强度，(e)高能硬 X 射线辐射强度.

图2是一炮典型的LHCD放电，相关参数为：等离子体电流Ip = 160 kA，中心弦平均电子密度 ne= 1×1019m-3，等离子体表面环电压为 1V，200kW功率的低杂波投入时间为400-520 ms.在低杂波投入前的欧姆放电阶段，ECE辐射强度和高能硬X射线都为零.从图2(d,e) 可看出：在LHCD期间ECE辐射强度增加，说明LHCD过程中有低能的逃逸电子产生.在低杂波关断后，虽然ECE辐射强度信号很快衰减为零，然而高能硬X射线逐渐增强.高能硬X射线的增强说明在波关断后高能逃逸电子已经增强了.

图3低杂波电流驱动期间不同能量段FEB随时间的演化

图 3 表示的是低杂波电流驱动期间不同能量段FEB随时间的演化(10-150keV).从图3可看到：在低杂波投入前没明显的FEB辐射.LHCD期间FEB辐射强度相当明显，特别是30-90 keV能段范围尤为显著，这说明在此期间有大量的快电子产生，并且快电子尾部达到了约90keV以上的能量值.在低杂波关断后FEB辐射强度逐渐减小到零.

图4　LHCD下逃逸能量阈值随时间变化关系

3　结论

LHCD实验是托卡马克非感应电流驱动的重要手段，也是调节电流密度剖面，实现先进位形和实现长脉冲稳态运行的重要工具.由于准线性扩散会增强共振电子在速度空间的扩散部分快电子跨过逃逸的速度阈值，从而进入逃逸区.本文通过快电子轫致辐射以及逃逸电子诊断系统研究了低杂波电流驱动下快电子分布和逃逸电子的产生.实验结果表明：在LHCD实验中产生的快电子能量高于逃逸能量阈值的条件下，在等离子体环电压加速后，快电子将转化为高能逃逸电子.

[1] Fisch N J.Theoryofcurrentdriveinplasmas[J].Reviews of Modern Physics,1987(1):175.

[2] Martin-Solis J R,Esposito B,Sanchez R,et al.ComparisonofrunawaydynamicsinLHandECRHheateddischargesintheFrascatiTokamakUpgrade[J].Nuclear fusion,2005(12):1524.

[3] Liu C S,Muschietti L,Appert K,et al.Enhancedrunawayproductionratebywavesinplasmas[J].Lrp,1980(46):13-18.

[4] Jaspers R,Finken K H,Mank G,et al.ExperimentalinvestigationofrunawayelectrongenerationinTEXTOR[J].Nuclear fusion,1993(12):1775.

[5] Zhou R H,Hu L Q,Lin S Y,et al.Experimentalobservationofinteractionofrunawayelectronswithlowerhybridwavesinslide-awayregimeintheht-7tokamak[J].Physics Letters A,2012(16):1360-1365.

[6] Zhang Y P,Liu Y,Yang J W,et al.EnhancedproductionofrunawayelectronsduringelectroncyclotronresonanceheatingandinthepresenceofsupersonicmolecularbeaminjectionintheHL-2Atokamark[J].Physics of Plasmas(1994-present),2010(7):131-144.

[7] 陈忠勇.HT-7低杂波电流驱动以及高能电子动力学的实验研究[D].合肥：中国科学院等离子体物理研究所，2006：41-57.

[8] Smith H M,Verwichte E.Hottailrunawayelectrongenerationintokamakdisruptions[J]. Physics of Plasmas (1994-present), 2008(7): 2502.

[责任编辑范藻]

Behavioure of High Energy Electrons on Tokamak with Low Hybrid Current Drive

ZHU Jinxia

(Intelligent Manufacturing School of Sichuan University of Arts and Sciences, Dazhou Sichuan 635000,China)

Fast electrons and runaway electrons constitute the high-energy tail of electron maxwell distribution during low hybrid current drive. High energy fast electron can effectively carry current driving to achieve no-induced current drive due to low collision frequency. But under certain conditions, fast electron can turn into runaway electron. It will do damage to the device first wall material. This paper studies fast electron distribution and the runaway electrons generation by means of fast electron bremsstrahlung array and runaway electron diagnose. The conversion phenomenon from fast electron to runaway electron can be analyzed.

low hybrid current drive; high energy electron; conversion

2016-01-17

四川省教育厅科研重点项目(15ZA0321)；四川文理学院校级科研项目(2014Z002Z)

竹锦霞(1976—)，女，四川雅安人.副教授，硕士，主要从事托卡马克高能电子的实验研究.

O461.25

A

1674-5248(2016)05-0030-03