托卡馬克等離子體中電子逃逸產(chǎn)生機(jī)制綜述

竹錦霞

(四川文理學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，四川 達(dá)州 635000)

0 引言

逃逸電子是核聚變等離子體物理學(xué)、加速器、天體物理等領(lǐng)域中一個重要研究對象.托卡馬克等離子體中的電子不僅受到與其它粒子的碰撞阻尼力，還受到環(huán)形電場的加速力.一部分速度大的熱電子或者是快電子受到的碰撞阻力小于環(huán)形電場力時，就會不斷地被加速到很高的能量.當(dāng)熱電子受到的碰撞阻尼力平衡于環(huán)形電場力時，電子速度即稱為逃逸的速度閾值.由于托卡馬克等離子體中的電子的分布函數(shù)呈現(xiàn)麥?zhǔn)戏植?，有小部分的高能尾部存在，在低雜波電流驅(qū)動(Lower Hybrid Current Drive，LHCD)和電子回旋共振加熱(Electron Cyclotron Resonance Heating，ECRH)等離子體中，高能尾部分布更強(qiáng)，這些高能尾部很容易成為逃逸電子.

由于逃逸電子的能量高，且在等離子體破裂時會局域地轟擊裝置的第一壁材料，損傷材料的性能和壽命.［1-2］逃逸電子的產(chǎn)生，特別是雪崩式的次級產(chǎn)生過程對目前以及下一代大型裝置(ITER)的第一壁材料有重要影響.［3］試探粒子模型是分析逃逸電子行為的有效工具，理論研究已經(jīng)提出了一系列試探粒子模型來解釋逃逸電子的產(chǎn)生、約束、損失以及受磁漲落的輸運(yùn).［4-5］本文根據(jù)國內(nèi)外發(fā)表的一系列資料，介紹了熱核聚變研究中不同放電條件下逃逸電子的產(chǎn)生過程以及實(shí)驗(yàn)證據(jù).

1 逃逸電子的主要產(chǎn)生機(jī)制

1.1 逃逸電子的初級產(chǎn)生機(jī)制

狄拉克首先發(fā)現(xiàn)了逃逸電子的初級產(chǎn)生機(jī)制，［6］電子逃逸的閾值速度

表示為逃逸的能量閾值

上式中Zeff為有效電荷數(shù)，e為電子電荷，lnΛ為庫侖對數(shù)，ne為電子密度，ε0為真空介電常數(shù)，m0為電子的靜止質(zhì)量，E為電場強(qiáng)度.

1.2 逃逸電子的次級產(chǎn)生機(jī)制

由于在許多裝置上發(fā)現(xiàn)了逃逸初級產(chǎn)生機(jī)制無法解釋的逃逸現(xiàn)象，從而提出了次級逃逸機(jī)制.［7］次級產(chǎn)生過程，也稱為雪崩過程.是指已經(jīng)存在的高能逃逸電子和本底電子發(fā)生近距離庫侖碰撞，使本底電子獲得比逃逸閾值高的能量而成為逃逸電子.而這些逃逸電子再和本底熱電子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生更多的逃逸電子，逃逸數(shù)目呈現(xiàn)指數(shù)性增長，所以也稱為雪崩過程.

次級逃逸過程的產(chǎn)生速率為

無逃逸損失時的雪崩時間常數(shù)為［8］

2 不同放電條件下產(chǎn)生逃逸電子的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

2.1 歐姆放電下電子逃逸的雪崩過程

20世紀(jì)90年代初，隨著各國托卡馬克裝置上逃逸電子診斷的不斷改善和進(jìn)一步發(fā)展，逃逸電子的實(shí)驗(yàn)研究引起了高度重視.位于德國Juelich的TEXTOR裝置是偏濾器位形，該裝置在托卡馬克逃逸電子實(shí)驗(yàn)方面做了大量的研究，并且取得了很多重要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.［9-11］根據(jù)逃逸數(shù)目隨指數(shù)增長以及在等離子體密度增加后逃逸電子數(shù)目繼續(xù)增長，表明次級產(chǎn)生過程對逃逸電子的產(chǎn)生有重要貢獻(xiàn).

2.2 電子回旋共振加熱期間逃逸電子產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

HL-2A裝置是我國第一個偏濾器托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置，于2002年12月在四川成都建成，該裝置的成功建設(shè)和良好運(yùn)行，使我國在托卡馬克物理與工程技術(shù)，特別是在等離子體加熱、磁流體不穩(wěn)定性、新的加料技術(shù)和偏濾器物理與工程等核聚變核心技術(shù)方面有了很大的進(jìn)步.［12］HL-2A上有著豐富的逃逸電子診斷系統(tǒng)，包括:硬射線測量系統(tǒng)、硬射線能譜測量系統(tǒng)、快電子測量系統(tǒng)、裂變室中子測量系統(tǒng)、射線能譜測量系統(tǒng)、軟成像系統(tǒng)、電子回旋輻射測量系統(tǒng).這些豐富的診斷系統(tǒng)為逃逸電子的全面監(jiān)測提供了必要手段.輔助加熱條件下逃逸電子的實(shí)驗(yàn)研究是托卡馬克等離子體研究中的重要課題.1971年在蘇聯(lián)的TM-3和TUMAN-2上進(jìn)行電子回旋共振加熱實(shí)驗(yàn).80年代開始，其它許多國家也都開展了托卡馬克中ECRH的實(shí)驗(yàn)研究.最近HL-2A上也進(jìn)行了ECRH的實(shí)驗(yàn)，在ECRH期間進(jìn)行超聲分子束注入(Supersonic Molecular Beam Injection，SMBI)，并在ECRH＆SMBI實(shí)驗(yàn)中對逃逸電子的行為進(jìn)行了研究.［13］從硬X射線輻射強(qiáng)度和中子診斷監(jiān)測可以看出，在ECRH之前硬X射線輻射強(qiáng)度幾乎為零，中子計(jì)數(shù)也為零，表明了ECRH逃逸電子數(shù)目幾乎可以忽略.在ECRH＆SMBI期間硬X射線輻射強(qiáng)度和中子記數(shù)迅速增加，即電子逃逸增強(qiáng).

2.3 低雜波電流驅(qū)動與離子伯恩斯坦波協(xié)同加熱下逃逸增強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)研究.

自從N.J.Fisch在1978年提出低雜波驅(qū)動電流的理論思想以來，LHCD的理論和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)展迅速，并取得了突破性進(jìn)展.［14］由于低雜波功率的限制等原因，通常實(shí)驗(yàn)中的LHCD環(huán)電壓并不為零，剩余環(huán)電壓加速波驅(qū)動的快電子可以獲得幾百keV的能量.這些高能快電子的能量接近逃逸能量閾值，快電子在一定條件下可以成為逃逸電子的種子，誘發(fā)逃逸.

圖1 LHCD放電波形

圖2 LHCD+IBW放電波形

HT-7是國內(nèi)第一個超導(dǎo)托卡馬克裝置，它的主要研究方向是穩(wěn)態(tài)等離子體條件下先進(jìn)托卡馬克運(yùn)行的物理和相關(guān)技術(shù)問題.LHCD下逃逸增強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象已被詳細(xì)研究.［15］全部利用波對等離子體加熱和驅(qū)動是HT-7超導(dǎo)托卡馬克有別于國外同類型裝置的特色之一.［16］HT-7實(shí)驗(yàn)組研究了在離子伯恩斯坦波(IBW)與LHCD協(xié)同加熱等離子體實(shí)驗(yàn)中逃逸電子行為，如圖1和圖2所示.［17］通過伽馬射線探測系統(tǒng)、電子回旋輻射測量系統(tǒng)以及中子診斷觀察到LHCD+IBW協(xié)同運(yùn)行下逃逸產(chǎn)額增強(qiáng).逃逸產(chǎn)額的提高是由于兩波的協(xié)同作用.因?yàn)橥ㄟ^LHW和IBW的準(zhǔn)線性擴(kuò)散下的電子分布函數(shù)依賴這兩種波.由于IBW加熱對分布函數(shù)的影響從而導(dǎo)致了電子分布函數(shù)在速度空間展寬，填補(bǔ)了LHW譜的譜隙，電子被加速到更高的平行速度，導(dǎo)致了逃逸電子產(chǎn)額增加.

3 結(jié)論

由于逃逸電子對裝置第一壁材料的損壞，逃逸電子的產(chǎn)生已經(jīng)收到了理論和實(shí)驗(yàn)研究的廣泛重視.到目前為止托卡馬克裝置中逃逸電子的產(chǎn)生機(jī)制主要有兩種:初級產(chǎn)生機(jī)制和次級產(chǎn)生機(jī)制.本文根據(jù)國內(nèi)外發(fā)表的一系列資料，詳細(xì)介紹了不同放電條件下產(chǎn)生逃逸電子的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，對深入理解逃逸電子的產(chǎn)生機(jī)制提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

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