提高等離子體密度對不同放電條件下逃逸電子行為對比分析*

竹 錦 霞

(四川文理學院智能制造學院，四川 達州 635000)

0 引 言

在托卡馬克等離子體中, 電子主要受到等離子體環(huán)電壓的加速作用和與其它粒子碰撞阻尼的減速作用. 然而隨著電子速度的增大,電子受到的碰撞阻尼力減小, 當電子能量超過一定的閾值后成為逃逸電子, 并在速度空間上與本底電子脫離. 當高通量的逃逸電子釋放到裝置第一壁時會對壁材料造成嚴重損害, 此類危害特別是在等離子體大破裂期間尤為突出[1-2]. 尋找抑制逃逸電子的運行區(qū)間不僅為裝置壁的安全運行提供保障也為實現(xiàn)更高參數(shù)下的放電提供相關物理基礎. 托卡馬克中的逃逸電子主要約束在等離子體芯部, 它的徑向輸運過程是研究磁湍流尺度的一個基礎, 因此逃逸電子動力學的研究可為芯部磁湍流的研究提供可靠手段. 國內外在理論和實驗方面都對托卡馬克中的逃逸電子做了廣泛研究[3-6].

由于非感應電流驅動中低雜波電流驅動是托卡馬克上驅動效率最高的驅動方法, 在國內外很多裝置上都發(fā)展了低雜波電流加熱和驅動系統(tǒng). 由于低雜波的投入, 等離子體環(huán)電壓若降低到一定的閾值(即快電子的尾部能量低于逃逸的閾值能量), 低雜波能實現(xiàn)對逃逸電子通量的抑制[7]. 波驅動的快電子通過準線性擴散增強電子在速度空間的擴散, 表現(xiàn)為低雜波期間或者低雜波關斷時電子逃逸的增強行為[8-9].

對逃逸電子動力學的理解以及探索有效的電子逃逸抑制手段不僅是保障托卡馬克裝置安全運行的基礎而且也是托卡馬克等離子體物理研究的重要課題之一. 本文主要利用逃逸電子診斷系統(tǒng)研究了放電平頂階段提高等離子體密度對不同放電條件下的逃逸電子產生的影響作用.

1 逃逸電子產生機制

逃逸電子產生機制主要有如下幾類：初級產生機制、次級產生機制、熱尾部產生機制[10]. 已經(jīng)通過實驗驗證的是初級產生機制和次級產生機制. 熱尾部產生機制只有在本底熱電子冷卻時間很短及冷卻到很低的溫度(即快速冷卻方法下)才發(fā)揮作用. 在試探粒子模型下根據(jù)電子受到的電場力平衡碰撞阻力, 逃逸的閾值能量可表示為：

(1)

式中:m0為電子的靜止質量,Zeff為有效電荷數(shù),ne為電子密度,E環(huán)向電場強度(E≈Vl/2πR). 逃逸電子的初級產生率可根據(jù)電子在速度空間的擴散速率得到：

(2)

其中ve為熱電子碰撞頻率,λ為逃逸電子產生速率因子. 逃逸電子的次級產生機制(也稱為雪崩過程)即已經(jīng)存在的高能逃逸電子和本底熱電子碰撞, 得到能量的熱電子進入逃逸區(qū)域, 然而高能逃逸電子能量有所下降但仍然處于逃逸區(qū)域，因此逃逸電子數(shù)量整體呈現(xiàn)指數(shù)增長. 等離子中存在高能“逃逸種子”是次級機制產生的必要條件. 逃逸電子的次級產生率和無逃逸損失的雪崩時間常數(shù)分別為：

(3)

(4)

2 實驗結果與討論

在環(huán)向電壓的加速作用下逃逸電子的能量可達到MeV. 當高能逃逸電子損失到裝置的第一壁材料時它和材料相互作用發(fā)生厚靶韌致輻射, 從而產生高能硬X射線, 通過對硬X射線監(jiān)測可得到放電過程中逃逸電子的相關信息. 等離子體密度是等離子體參量中重要參量之一. 放電過程中的等離子體密度的變化能影響逃逸電子的行為.

圖1為歐姆放電和低雜波電流驅動放電波形的對比圖. 實驗中保持等離子體電流不變(Ip=100 kA), 左邊的放電圖1(a)為低密度歐姆放電. 在等離子體密度變化前從硬X射線輻射強度可見：隨著放電的進行, 在平頂階段產生了大量的逃逸電子. 在放電后期通過充入大量的工作氣體, 等離子體密度在60 ms內迅速從1×1019m-3增加到1.8×1019m-3. 然而隨著等離子體密度的增加, 硬X射線輻射強度出現(xiàn)了明顯下降. 在歐姆放電平頂階段, 等離子體密度的增加表現(xiàn)出了對逃逸電子的抑制作用. 圖1右邊的放電圖1(b)相對左邊的放電基本參數(shù)一致, 不同點為右邊放電在200 ms到550 ms之間注入了功率為140 kW的低雜波. 放電過程中低雜波關斷時刻剛好是等離子體工作氣體充入時刻. 等離子體密度在40 ms內迅速從1.2×1019m-3增加到2×1019m-3. 與歐姆放電平頂階段提高了等離子體密度能抑制逃逸電子通量相反, 在低雜波關斷時刻提高等離子體密度后, 逃逸電子行為表現(xiàn)出了反常的行為, 硬X射線在2 ms內臺階式的迅速增長, 逃逸電子的產生呈現(xiàn)出雪崩增長.

圖1 歐姆放電和低雜波電流驅動放電下逃逸電子行為對比圖Ⅰ等離子體電流;Ⅱ等離子體線平均密度;Ⅲ硬射線輻射強度

圖2 歐姆放電和低雜波電流驅動放電下環(huán)電壓及逃逸能量閾值對比圖Ⅰ等離子體表面環(huán)電壓;Ⅱ逃逸能量閾值

3 結 論

在托卡馬克低密度等離子體放電中很容易產生大量的逃逸電子. 本文利用硬射線診斷系統(tǒng)對比研究了低密度歐姆放電及低雜波電流驅動放電下逃逸電子行為. 實驗結果表明: 在低密度歐姆放電中提高等離子體密度增強了逃逸電子的碰撞阻力, 提高了逃逸能量閾值, 抑制了逃逸電子的初級產生機制, 并且能降低已形成的逃逸電子能量和數(shù)量. 然而在同樣參數(shù)放電下, 由于低雜波關斷等離子體表面環(huán)電壓的提高及等離子密度的提高下， 逃逸電子產生卻呈現(xiàn)出雪崩現(xiàn)象. 這表明在低雜波關斷后提高等離子體密度激發(fā)了逃逸電子形成的次級產生機制.