提高等离子体密度对不同放电条件下逃逸电子行为对比分析*

竹 锦 霞

(四川文理学院智能制造学院，四川 达州 635000)

0 引 言

在托卡马克等离子体中, 电子主要受到等离子体环电压的加速作用和与其它粒子碰撞阻尼的减速作用. 然而随着电子速度的增大,电子受到的碰撞阻尼力减小, 当电子能量超过一定的阈值后成为逃逸电子, 并在速度空间上与本底电子脱离. 当高通量的逃逸电子释放到装置第一壁时会对壁材料造成严重损害, 此类危害特别是在等离子体大破裂期间尤为突出[1-2]. 寻找抑制逃逸电子的运行区间不仅为装置壁的安全运行提供保障也为实现更高参数下的放电提供相关物理基础. 托卡马克中的逃逸电子主要约束在等离子体芯部, 它的径向输运过程是研究磁湍流尺度的一个基础, 因此逃逸电子动力学的研究可为芯部磁湍流的研究提供可靠手段. 国内外在理论和实验方面都对托卡马克中的逃逸电子做了广泛研究[3-6].

由于非感应电流驱动中低杂波电流驱动是托卡马克上驱动效率最高的驱动方法, 在国内外很多装置上都发展了低杂波电流加热和驱动系统. 由于低杂波的投入, 等离子体环电压若降低到一定的阈值(即快电子的尾部能量低于逃逸的阈值能量), 低杂波能实现对逃逸电子通量的抑制[7]. 波驱动的快电子通过准线性扩散增强电子在速度空间的扩散, 表现为低杂波期间或者低杂波关断时电子逃逸的增强行为[8-9].

对逃逸电子动力学的理解以及探索有效的电子逃逸抑制手段不仅是保障托卡马克装置安全运行的基础而且也是托卡马克等离子体物理研究的重要课题之一. 本文主要利用逃逸电子诊断系统研究了放电平顶阶段提高等离子体密度对不同放电条件下的逃逸电子产生的影响作用.

1 逃逸电子产生机制

逃逸电子产生机制主要有如下几类：初级产生机制、次级产生机制、热尾部产生机制[10]. 已经通过实验验证的是初级产生机制和次级产生机制. 热尾部产生机制只有在本底热电子冷却时间很短及冷却到很低的温度(即快速冷却方法下)才发挥作用. 在试探粒子模型下根据电子受到的电场力平衡碰撞阻力, 逃逸的阈值能量可表示为：

(1)

式中:m0为电子的静止质量,Zeff为有效电荷数,ne为电子密度,E环向电场强度(E≈Vl/2πR). 逃逸电子的初级产生率可根据电子在速度空间的扩散速率得到：

(2)

其中ve为热电子碰撞频率,λ为逃逸电子产生速率因子. 逃逸电子的次级产生机制(也称为雪崩过程)即已经存在的高能逃逸电子和本底热电子碰撞, 得到能量的热电子进入逃逸区域, 然而高能逃逸电子能量有所下降但仍然处于逃逸区域，因此逃逸电子数量整体呈现指数增长. 等离子中存在高能“逃逸种子”是次级机制产生的必要条件. 逃逸电子的次级产生率和无逃逸损失的雪崩时间常数分别为：

(3)

(4)

2 实验结果与讨论

在环向电压的加速作用下逃逸电子的能量可达到MeV. 当高能逃逸电子损失到装置的第一壁材料时它和材料相互作用发生厚靶韧致辐射, 从而产生高能硬X射线, 通过对硬X射线监测可得到放电过程中逃逸电子的相关信息. 等离子体密度是等离子体参量中重要参量之一. 放电过程中的等离子体密度的变化能影响逃逸电子的行为.

图1为欧姆放电和低杂波电流驱动放电波形的对比图. 实验中保持等离子体电流不变(Ip=100 kA), 左边的放电图1(a)为低密度欧姆放电. 在等离子体密度变化前从硬X射线辐射强度可见：随着放电的进行, 在平顶阶段产生了大量的逃逸电子. 在放电后期通过充入大量的工作气体, 等离子体密度在60 ms内迅速从1×1019m-3增加到1.8×1019m-3. 然而随着等离子体密度的增加, 硬X射线辐射强度出现了明显下降. 在欧姆放电平顶阶段, 等离子体密度的增加表现出了对逃逸电子的抑制作用. 图1右边的放电图1(b)相对左边的放电基本参数一致, 不同点为右边放电在200 ms到550 ms之间注入了功率为140 kW的低杂波. 放电过程中低杂波关断时刻刚好是等离子体工作气体充入时刻. 等离子体密度在40 ms内迅速从1.2×1019m-3增加到2×1019m-3. 与欧姆放电平顶阶段提高了等离子体密度能抑制逃逸电子通量相反, 在低杂波关断时刻提高等离子体密度后, 逃逸电子行为表现出了反常的行为, 硬X射线在2 ms内台阶式的迅速增长, 逃逸电子的产生呈现出雪崩增长.

图1 欧姆放电和低杂波电流驱动放电下逃逸电子行为对比图Ⅰ等离子体电流;Ⅱ等离子体线平均密度;Ⅲ硬射线辐射强度

图2 欧姆放电和低杂波电流驱动放电下环电压及逃逸能量阈值对比图Ⅰ等离子体表面环电压;Ⅱ逃逸能量阈值

3 结 论

在托卡马克低密度等离子体放电中很容易产生大量的逃逸电子. 本文利用硬射线诊断系统对比研究了低密度欧姆放电及低杂波电流驱动放电下逃逸电子行为. 实验结果表明: 在低密度欧姆放电中提高等离子体密度增强了逃逸电子的碰撞阻力, 提高了逃逸能量阈值, 抑制了逃逸电子的初级产生机制, 并且能降低已形成的逃逸电子能量和数量. 然而在同样参数放电下, 由于低杂波关断等离子体表面环电压的提高及等离子密度的提高下， 逃逸电子产生却呈现出雪崩现象. 这表明在低杂波关断后提高等离子体密度激发了逃逸电子形成的次级产生机制.