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1、托卡马克装置等离子体平衡和控制,HT-7,ASIPP,Institute of Plasma Physics,Chinese Academy of Sciences,托卡马克装置等离子体平衡和控制,HT-7,ASIPP,托卡马克装置的发展历史 托卡马克装置工作的基本原理 等离子体(Grad Shafranvo)平衡方程 非圆截面等离子体平衡反演技术托卡马克装置等离子体电磁测量概述HT-7等离子体平衡和控制 EAST等离子体电流、X点位置和位形控制,托卡马克装置的发展历史,HT-7,ASIPP,托卡马克是一种准稳态环形放电装置。在环形系统中，它的结构最简单，但是在其上所获得的等离子体参数却是到目
2、前为止最好的，而且有可能最先建成热核聚变反应堆。所谓托卡马克，是指具有强磁场低“准稳态环形受控热核实验装置，是由苏联库尔恰托夫原子能研究所的阿尔齐莫雄奇等首先提出来的。托卡马克的发展大致可以分为下列几个阶段：早期环形放电实验时期(1958年以前)托卡马克概念形成时期(1958-1963年)扩大实验阶段(1974年开始)冲击点火条件阶段(1979年开始)深入等离子体研究和点火条件模拟实验阶段(1982年目前),托卡马克装置工作的基本原理,HT-7,ASIPP,a:等离子体 b:平衡场线圈 c:真空室 d:纵场线圈 e:铁芯变压器,托卡马克装置工作的基本原理,HT-7,ASIPP,托卡马克是一种轴
3、对称的环形系统，就产生准稳态高温等离子体装置的几何观点来看，它是闭合磁约束系统中最简单的系统。典型的托卡马克装置如图所示。它主要由激发等离子体电流的变压器(铁芯的或空芯的)、产生纵磁场的线圈、控制等离子体柱平衡位置的平衡场线圈和环形真空室组成。真空环为变压器的次级线圈，变压器原边的电能，通过耦合引起真空环内部感应而产生等离子体环电流。等离子体被流过它的环形电流加热，由环形电流产生的角向磁场包围并约束等离子体。,托卡马克装置的磁场形态,HT-7,ASIPP,纵场线圈产生的平行于环电流的纵向磁场用于抑制等离子体的磁流体力学不稳定性。纵场强度要比角向磁场强度大许多倍，在正常情况下10，这是托卡马克与
4、其它环形装置的主要区别，也是它的一个主要特点。磁场有螺旋形结构,每根磁力线构成一个磁面，有一个r值，就有一个磁面托卡马克装置的磁面，是一个套着一个的具有磁剪切的圆环，沿等离子体围绕一周时即闭合的那根磁力线称为磁轴。,托卡马克装置的磁场形态,HT-7,ASIPP,螺距大，旋转变换角很小。在角向 值不大时的情况下，磁面与子午面的交线，是以小环中心为圆心，r为半径的一系列同心圆。而当 值相当大时，磁面的形状将发生显著的改变，它们的中心会向外移动，移动值随着圆的小半径的减少而增加等离子体柱的磁轴相对于导电壳中心的位移最大。,托卡马克装置的磁场形态,HT-7,ASIPP,托卡马克装置的磁场形态,HT-7
5、,ASIPP,在托卡马克装置的发展过程中，为了提高等高于体的温度而仍保持其稳定性条件，可以设法把圆截面的等离子体沿着大环主轴方向拉长成非圆截面(如椭圆、D型等)，这时其磁面的截面也相应地成为非圆的截面。现代的实验结果表明，该位形能产生高性能的等离子体，有助于高性能参数的获得，加快了核聚变商业堆的研究步伐。总之，托卡马克磁场结构的特点是：纵场强，角向场弱，合成的磁力线具有旋转变换性质，并且旋转变换角很小：这意味着螺旋磁力线沿等离子体柱大大伸展。正是由于这个特点，使带电粒子的漂移大大减少，并为等离子体柱克服磁流体力学不稳定性提供了条件。,等离子体在环形螺旋磁场中的约束,HT-7,ASIPP,托卡马
6、克装置中的磁场，是由纵向磁场和角向磁场叠加而成的环形螺旋磁场。这是一个不均匀的磁场，在环的外侧磁场为极小，在环的内边缘磁场为极大。因为有磁场梯度存在，所以带电粒子通旋中心的运动是由沿磁力线的运动和磁漂移两部分合成的。一类是“通行粒子”或“自由粒子”，这种粒子的速度向量与螺旋磁场之间的夹角足够小，能够通过强磁场而不被反射回来另一种是“捕获粒子”或“约束粒子”，这种粒子的速度向量与磁场之间的夹角比较大，不能通过强磁场区，只能沿着磁力线在两个强磁场区构成的局部磁镜之间来回运动：因其轨道象香蕉，所以也叫做“香蕉粒子”。,等离子体在环形螺旋磁场中的约束,HT-7,ASIPP,应该注意，如果有了磁场误差或
7、其它的非轴对称磁场，则磁力线在多次绕环以后，它们常常和器壁相交，粒子也就约束不住。在托卡马克装置中一个无法避免的缺陷是装置只能使用有限个纵场线圈，引起纵向磁场的起伏，这就会沿磁力线产生非常浅的局部磁镜，它们能够捕获一小部分等离子体粒子：这种粒子既不围绕环的小截面画圆圈，也不相对于赤道平面对称地被捕获，它们将漂移出系统：除了这些磁捕获效应以外，一个电场本身或者和磁场一起也能引起粒子捕获，使粒子回旋中心轨道发生很大的变化：为了减小磁场误差，一般需要细致的进行纵场线圈的设计。,等离子体(Grad Shafranvo)平衡方程,HT-7,ASIPP,对于托卡马克平衡而言，它有两个基本的出发点：(1)磁
8、压和内部的等离子体压力是平衡的。(2)由外部线圈的电流决定了等离子体的位置、形状和电流大小。,等离子体在环形螺旋磁场中的平衡,HT-7,ASIPP,由于托卡马克中等离子体的质量是非常小的，一般仅10-4克/m3，依电动力学的一般规律，等离子体向受有向外扩张的力，其受力是很大的，一般为10吨/m3，在托卡马克装置中依靠角向磁场和纵向磁场的磁压力加以平衡，这些磁场产生无限的嵌套的磁面，其磁力线则沿螺旋线围绕着此环：等离子体的声速一般为105106m/s，因此在沿磁力线方向很快地便可达到压力平衡。各个不同的磁面上的磁力线是不同的，就是由于此剪切，才使等离子体能很好地平衡。磁面上扭曲的磁力线一般用安全
9、因子q描述，此剪切是由径向的q值确定。具有回转变换的环形螺旋磁场，对于单个带电离子来说，是个很好的约束。但是，这种磁场系统对于保持等离子体柱的宏观平衡态还是不够的。这是因为载流的环形等离子体柱有向外扩张的趋势，如不设法加以平衡，等离子体就会碰到器壁。,等离子体在环形螺旋磁场中的平衡,HT-7,ASIPP,确定环形等离子体柱平衡条件的基本宏观方程是压力平衡方程和描述等离子体柱大半径变化的方程。这些方程的形式依赖于柱截面的形状，以及电流和等离子体压力在桂截面上分布的形状。等离子体压力与磁压力平衡的分析(1)由等离子体压强起的扩张力(2)纵场磁力线张力引起的合力(3)圆环等离子体柱表面上的纵场磁压强
10、引起的沿大半径方向的合力(4)环形等离子体电流引起的扩张电动力,等离子体在环形螺旋磁场中的平衡,HT-7,ASIPP,使等离子体柱不向外扩张而达到平衡所采用的措施，一般有下列几种：(1)用外部导体产生一个使等离子体柱保持平衡的垂直场(也称平衡场)(2)用理想导电壳保持等离子体柱的平衡(3)用变压器铁芯保持等离子体柱的平衡 在实际的托卡马克装置上，往往是几种平衡措施同时采用：要对所有影响等离子体柱平衡的因素同时进行估量，是非常困难复杂的。,等离子体磁通函数,HT-7,ASIPP,对托卡马克平衡的等离子体而言，其基本的条件是在等离子体区域内，所有位置上的等离子体受力均为0，这个就要求磁场力与等离子
11、体压力平衡。,(1)沿着磁力线无等离子体压力梯度。(2)在同一磁面上等离子体压力均相同。(3)等离子体电流密度线也位于同一磁面上。,等离子体磁通函数,HT-7,ASIPP,为了研究托卡马克的平衡问题，引入角向磁通函数是非常必要的，它与位于每一磁面上的角向磁通量成正比例，并且在每一磁面上均为常数，此函数必须满足：,这就清楚地向我们表明：(1)沿着磁力线无等离子体压力梯度。(2)在同一磁面上等离子体压力均相同。(3)等离子体电流密度线也位于同一磁面上。,等离子体磁通函数,HT-7,ASIPP,等离子体磁通函数,HT-7,ASIPP,等离子体磁通函数,HT-7,ASIPP,Grad Shafrano
12、v平衡方程,HT-7,ASIPP,Grad Shafranov平衡方程,HT-7,ASIPP,Grad Shafranov平衡方程,HT-7,ASIPP,上海激光电子伽玛源装置Shanghai Laser-Electron Gamma Source（SLEGS）预制研究,Outline,引言世界上现有g束线站的简介SLEGS 低能(MeV)g光束线站初步设计核物理、核天体物理及其相关应用SLEGS项目预制研究实施计划总结,I、引言中科院上海应用物理研究所准备在国内提出并推动下述计划，希望上级部门能予以大力支持，同时希望国内同行能共同参与这个工作。目标是建设“上海激光电子伽马源”（SLEGS），
13、利用上海光源(SSRF)的3.5GeV电子束，用远红外激光与电子束进行Compton反散射，得到1-25MeV准单色极化g束，开展低能极化核物理、核天体物理和强g源的应用研究。该项工作将扩展上海同步辐射装置的应用领域，把核技术和核分析手段引入同步辐射装置的应用中；同时为国内开创了光核物理研究新领域，提供了一个极为难得的实验平台；也为研究激光与电子相互作用机制作了技术储备。,三类光源：康普顿背散射、韧致辐射、束发射,低能极化或非极化射线束一直是研究核天体物理、原子核物理及相关领域强有力的探针之一，具有以下优点：1）电磁相互作用形式是已知的，能作微扰处理；2）电磁耦合作用是小的(=1/137)，使
14、虚光子或实光子可以穿透核，探索内部硬的核心。国外新一代电子加速器和同步辐射光源已可提供极化准单色光子束，推动了光子在自由和束缚核子上的散射和反应的实验研究。,康普顿背散射（BCS）方法有几个优点：采用BCS方法的低能光子造成的本底要比韧致辐射小得多；BCS方法最显著的特点是通过调节激光极化度可以得到几乎100%线或圆极化度的光子，因此以光子极化度作为一个实验可观察量来开展相关实验研究有其优越性。而且，在不改变实验条件的情况下，改变激光束的极化可以很便捷地改变BCS 的极化方向。准单色，可以开展精确的核结构测量，如核共振荧光激发等；,II、世界上现有g束线站的简介,高能g光束线,Spring-8
15、 Result,M=1.540.01 GeVG 25 MeVGaussian significance 4.6s,Q+,Q+,+C(n/p)K-K+(n/p)Cuts:no fK+K-no recoil p(gn only)Missing mass for n,PRL 91,012002(2003);SCI citation:177,M=155510 MeV 26 MeV7.8 s,CLAS/JLAB Results,Phys.Rev.Lett.91,(2003)252001,M=15425 MeV 21 MeV5.2 s,g(2-3GeV)d p K+K-n,g(3-5.47GeV)+p n
16、 K+K-p+,Phys.Rev.Lett.92,(2004)032001,低能g光束线日本ETL(电子技术实验室):1-20MeV,能量分辨1-4%，强度104-105s-1的射线束美国Duke大学：自由电子激光实验室(DFELL)建造了一个核物理装置HIGS(高强度伽玛源)。5.0-200MeV、准单色的、100%线极化的高强度g射线束日本大阪大学:计划在Spring-8上利用远红外激光产生MeV量级射线束(5-35MeV)筹建的SLEGS装置：(1-25MeV).由于g射线的能量强烈地依赖电子能量，因此SLEGS在获得低能方面有其独到优点，比Spring-8更易利用准直法获得准单色的低能
17、MeV量级射线束。强度高于ETL.,III、SLEGS 低能(MeV)g光束线站初步结构,33,正在建设中的上海光源(SSRF)具有低发射度、小束团尺寸、高流强和低色散度等特点。它由20个DBA标准单元组成，全环为镜象对称的10超周期结构。电子束能量为3.5GeV，仅次于日本Spring8、美国APS和欧共体ESRF。SSRF的几个主要设计参数如下表。,二、SLESG工作原理,产生BCS 伽马光子SLEGS装置的结构草图,用几百瓦的高功率CO2激光器作为光泵的分子气体激光器，可以得到波长为几百mm、输出功率为几瓦的远红外激光。,注：假定激光与电子束在DBA标准单元的色散区直线节内最佳几何交叉条
18、件下进行对撞，电子束流强为200mA，在作用区中心位置sx和sy均为0.1mm，激光腰的半径为0.5mm，平均输出功率2W。储存环动力学孔径为1%，即产生能量小于 35MeV的g光子时，不引起电子束电子损失，即可寄生运行。,IV、产生低能光束线的性质,SLEGS低能BCS光子束主要特点：强度和极化度高，单色性和方向性好，另外它还有ns脉冲时间结构，它提供了可用来开展基础研究和应用研究的高品质g射线束。1)由于光子能量与散射角之间有确定的对应关系，可用准直器得到准单色的g射线。2)g射线在单位能量单位时间的强度107MeV-1s-13)光束有良好方向性，发散角约0.15mrad。4)能量大于3/
19、4最大能量的光子，其极化度在85%以上。,低能光束线在核物理、核天体物理等领域的应用1)MeV量级的极化束在核物理中的应用l光核反应截面的精确测量l 利用核共振荧光(NRF)进行核激发态的宇称、跃迁多极性测量l高同位旋核的结构研究，如系统性的核的巨共振研究2)在核天体物理中的应用l进行天体演化中某些基本核反应的库仑俘获截面的精确测量3)相关应用研究l癌症肿瘤治疗、照相成像、活化分析、正电子束产生4)储存环束流的在线监测(能量,发散度,极化度),V、在核物理、核天体物理及其相关应用,1、采用库仑离解方法研究辐射俘获反应：某些核反应截面的知识是解释大爆炸、恒星演化或超新星爆炸的关键，人们需要在相应
20、于天体物理温度（即非常低碰撞能时，恒星内部核燃烧温度在1070.5109K内，对应的热运动能量仅为1450KeV）的截面。由于库仑位垒抑制了感兴趣的反应截面，进行这样碰撞能非常低、截面非常小的实验测量通常非常困难。迄今为止，天体物理（特别恒星内部核燃烧）所采用的核反应截面几乎都是由高能范围（E110MeV或更高）核反应实验曲线向低能范围外推而求得的。由于许多原子核的低激发共振能级尚未知晓，这种外推结果往往不可靠。例如：由于19821984年间实验发现16O的两个阈下共振能级以及某些能态间的相干作用，使得对大质量恒星演化极为关键的核反应12C+a 16O+g的截面值发生了几倍的变化（可能35倍）
21、，但至今仍未定论。,利用库仑离解方法可以实现这一测量：天体中感兴趣的反应过程为b+c a+g，利用测量时间反演反应a+g b+c+Q来代替直接测量。利用细致平衡原理，可获得天体物理中感兴趣的恒星温度时反应截面和反应率，同时具有较大反应截面和分解（breakup）运动学灵活性的优点。,库仑离解方法图解：,举出几个感兴趣的辐射俘获反应:从14N到Mg轻核a俘获反应的研究直接相关大质量的氦燃烧核中的弱s过程分量中g的产生。如在恒星温度时对18O(a,g)22Ne、22Ne(a,g)26Mg低能反应的精确测量对研究在恒星氦燃烧条件时中子通量非常重要。15N(a,g)19F和19F(p,g)20Ne反应
22、研究：质量18M0恒星的后阶段各种氢、氦和碳燃烧带中核合成中，观察到19F丰度由来仍是未知。一种可能是在AGB星中氦燃烧壳的热脉冲中通过18O(p,a)15N(a,g)19F反应合成，上述实验对研究19F在热脉冲产生和消耗预言提供有用数据。4He(an,g)9Be反应是天体物理中一个关键过程，除可进行9Be直接光子分解研究，9Be上述库仑离解实验也是值得做的。因为实验室中不能以直接方式获得双中子俘获反应情况，考虑用库仑离解率来研究(n,g)和(2n,g)俘获反应也很有意思。要了解恒星中氦燃烧过程和碳氧比，必须得到相应能量(300KeV)的12C(a,g)16O反应数据。此能量截面估计值约10-
23、8nb，实验室无法测量。实验上已获得最低能量为1.2MeV的截面值，必须通过外推到300KeV，外推主要误差来自a粒子能量在1MeV附近许多共振对截面的贡献。为解决这个问题可采用8.3MeVBCS极化g束，产生1MeV a粒子，通过逆反应进行研究。,B2FH理论描述p过程核的形成有两个可能机制：在热丰质子环境中质子俘获或热环境中光子诱发的r-过程中的光致蜕变。r-过程典型参数是温度2T93。类超新星的富氧和富氖层似乎是发生r-过程一个好的地点，但没有定论，由于缺少在天体物理能量处r-诱发反应的截面和反应率实验数据。目前除一些p过程核(n)数据和Zr及Mo少量(p,g)反应率外，几乎没有实验数据
24、。70Ge和144Sm仅有两个(a,g)值，而且144Sm(a,g)发现与过去计算明显不符。首先应在稳定同位素上进行新的测量，优先在靠近中子和质子幻数核上，因为在那里应用统计模型通常特别困难。为达到这个目的，g 射线活化技术证明是在合理时间和开支下，收集大量数据的有效工具，更简单、灵敏度更高。,2、低能光核反应截面的直接测量(g,n)、(g,p)和(g,a)：,利用核共振荧光(NRF)进行核激发态的宇称、跃迁多极性测量,通过极化的低能准单色射线，还可以研究核激发态的宇称测量。DUKE大学用56MeV的高强度极化的低能准单色射线，能用很短的束流时间确定激发态的宇称。Phys.Rev.Lett.8
25、8,12502(2001);Phys.Rev.Lett.78,4569(1997);,高同位旋(N/Z)核的结构研究,高同位旋的物理是当今核物理发展的一个主要方向。如中子晕的发现。另外，发现了中子皮与核芯的矮共振。可以用低能准单色射线来系统研究不同同位旋核的矮共振的系统学。Phys.Rev.Lett.93,192501(2004);Phys.Rev.Lett.89,272502(2002);Phys.Rev.Lett.85,274(2000),奇异核的反应总截面比相邻核素有很大增强。碎片横向动量分布非常小。,例：巨共振区中18O光子吸收截面中精细结构高分辨测量(利用ETL的LCP束),VI、S
26、LEGS项目预制研究计划,1、开展上海激光电子伽玛源（SLEGS）的预制研究，完成在上海光源大科学装置上建立低能MeV量级g束线站的物理设计报告2、完成SLEGS所需的分子气体激光器、激光反馈控制系统、g射线探测系统等关键部件的研制工作3、与大阪大学合作，参与在Spring-8上完成低能g束线的建设，并首先开展核天体物理中两个重要的辐射俘获反应的实验测量，为将来在SLEGS上开展基础和应用研究做前期的科学研究准备4、在束线站未立项之前可开展远红外激光从前端区入射到相互作用点的传输、聚焦以及光子产生率、剖面等的理论研究，同时对利用极化g束线发展的实验方法，如快慢正电子、极化正电子源等可进一步探讨
27、。,关键部件的研制,远红外专用激光器的研制：采用高功率CO2混合气体激光器作为光泵，驱动各种介质的气体分子激光器，可以得到波长范围在几十几百mm之间的远红外激光。要解决的关键问题：研制气流式的CO2混合气体激光器，通过试验找到最合适的混合气体组成，能够同时产生多个远红外激光波长。实际建立光束站所需要的分子气体激光器功率很高，现有经费不足于建立此系统。因此我们计划首先研制功率相对较低的分子气体激光器，选定混合气体的比分，并调试该波长激光的聚焦和引入的光学系统。同时建立远红外激光测试系统，监测分子气体激光器产生的激光波长。,激光引入相互作用区和反馈监测系统的研制：因为远红外激光的波长很长，聚焦情况
28、的好坏和稳定性对产生光束的通量影响很大。为此激光同电子相互作用以后，由激光监测系统收集，通过系统的反馈对聚焦情况进行调节，以得到最优化的光能谱。完成以上研制以后，在条件许可下，我们计划尝试在应用物理所已建成的100MeV直线电子加速器上，进行初步的系统性测试。将相对功率较低的远红外激光引入同相对论电子相互作用，测量产生光的能谱和空间分布。重点在于优化激光引入相互作用区的光路图、激光的聚焦和调焦、激光电子相互作用点的调节。通过调试摸索一些经验应用于将来的低能光束线站的研制。,具体的经费安排：,CO2混合气体激光器光泵分子气体激光器3030万两个激光器所需要的气体及气路控制系统 10万激光引入和聚
29、焦的光路系统（包括金刚石窗等）20万激光反馈控制系统 20万束流位置监测系统、能谱仪（包括信号引出）30万电子学插件 20万测量光能谱的多道（8192）数据获取系统 15万光引出的束流管道、真空系统及支架、准直器 10万激光实验室建设，探测器实验室建设 20万参与国外合作研究的人员差旅费和部分材料费 40万科研业务费 10万劳务费、科研管理费 45万 总计：300万元,进度安排,05年:参与Spring8的光束线建设，完成一项实验,激光器的准备，开始物理设计报告06年:整套SLEGS系统的研制，完成另一项实验Spring8的实验，细化物理设计报告，并提出申请07年:争取在100MeV直线电子加
30、速器上产生伽马光的试验，积累优化极化伽马光的调试的经验。,VIII、总结：产生方式:激光光子和高能电子发生康普敦背散射电子束特性:3.5GeV,200mA激光系统:远红外激光低能g光子束性质:125MeV,107-108s-1,100%线或圆极化,准单色g-ray科学目标:核物理、核天体物理及相关应用研究,Thanks!,SLEGS Experimental CollaborationY.G.Ma,X.Z.Cai,W.Q.Shen,W.Guo,J.H.Gu,D.Q.Fang,C.Zhong,W.D.Tian,J.G.Chen,Y.B.Wei,Shanghai INstitute of Applied Physics,CAS,Spring-8上低能g束线站建设取得的一些结果：,远红外激光系统,远红外激光的特性,远红外激光的传输系统,MeV-g光束线的产生率,远红外激光的稳定性,
