ECEI 诊断系统上轮实验情况及本轮实验提案

王俊，徐小园，俞昌旋，闻一之中国科学技术大学wangjun@mail.ustc.edu.cn

电子回旋辐射 (ECE) 原理

2

3 2( ) ( )

8e

B

TI I

c

带电粒子在洛仑兹力的作用下作回旋运动

电子回旋共振层辐射出电磁波

n =nce

ce(R) B1/R 光学厚的情况下，辐射正比于电子温

度

B

R

Resonance Layer

Major Radius

n ce

ECE Frequency

Plasma

Antenna

1/RBf

LO

Mixer

Band Pass Filter

Video Detection

LO

Power Divider

IF Aplifier

一维 ECER 诊断

电子回旋辐射强度正比于电子温度 采用单个天线沿主半径方向接收辐射 由于磁场的 1/R 依赖关系，频率与径向位

置是一一对应的。通过分频产生多个通道获得电子温度分布

一维，空间分辨率有限，垂直方向上 d=2-5cm

Taylor et al., Rev. Sci. Instrum. 56, 928 (1985)

ECEI 诊断原理

采用低成本的垂直排列的微带天线 / 混频阵列 在会聚处测量，提高空间分辨 二维测量，能同时对极向和径向进行相关测量

Focal Plane of ECE Imaging

ZB ~ 1/RImaging

ArrayImaging Optics

CL

R

1995 年， B.H.Deng 和 N.C.Luhmann 等人发展了 ECEI 诊断技术，成功地把横向分辨率提高到了 1cm ，并将其应用到了 TEXT-U 和 RTP 上

TEXTOR-94 上用 ECEI 获得的电子温度剖面

R=1.75m, a=0.46m, B<2.9T, N~1.5x1013cm-3

TEXT-U 上磁岛结构

G.Cima,etc,Plasma Phys. Control. Fusion, 40, 1149(1998)反转半径是 8cm ，图像对应宽度 20cm ， 0.2ms 扫描一次

Cross power spectral density (a) and statistical dispersion relation (b) measured at r/a=0.61 (200 kA, 21019 m-3).

Consistent with drift wave theory [W. Horton, Jr., Phys. Fluids 19, 711 (1976)] and previous FIR scattering measurements [D.L. Brower, Nucl. Fusion, 27, 2055 (1987); Phys. Fluids B4, 381 (1992)].

10-10

10-9

10-8

10-7

0 50 100 150 200

statistical noise level

(a)

/2 (kHz)

˜ T eT e

0

0.8

1.6

2.4

3.2

0 50 100 150 200

k (

cm-1

)

(b) Er = -4.7 kV/m

Er=0

/2 (kHz)

TEXT-U 上的 Te 涨落的功率谱和统计色散关系

B.H. Deng, et al., Phys. Plasmas 5, 4117 (1998)

Two modes are distinguished from the measured cross power spectral density and cross phases between two vertically separated channels. The error bars denote the standard deviation over multiple realizations. The average of the cross correlation function has been subtracted.

10-11

10-10

10-9

10-8

10-7

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 50 100 150 200 250Cro

ss P

ower

Spe

ctra

l Den

sity

kz (cm

-1)

Frequency (kHz)

RTP 上 Te 涨落的功率谱密度和统计色散关系

HT-7 ECEI 系统参数 接收频率 97.5GHz, 100-112GHz IF Bandwidth: 25~297MHz DBS Video Bandwidth: 1MHz 垂直 16 道，道间距约 11mm

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

50

100

150

200

250

r/a

f (G

Hz)

ECE Frequency Range (Bt =1.95T, Te =1KeV,ne0

=3e+013cm-3)

3rd

2nd

fR

fUH

1st

fP

fL

频谱范围

光学厚的计算

M. Bornatici, Plasma Physics,Vol.24,No.6,629(1982).

R0=122cm ， a=27cm ， B0=1.95T ， ne0=3.0x1013cm-3 时，

诊断区域为 -0.68<r/a<0.73 ，即 -18.3cm<r<19.6cm

ECEI 系统的诊断位置

根据锯齿信号的分布可以初步判断系统已经对准了 HT-7 的等离子体中心

系统的相对定标

系统根据软 X 射线能谱进行的绝对定标

Shot#78911 r=8.0cm

有问题的自相关局域电子温度涨落的测量

正确的自相关局域电子温度涨落的测量

两道间的径向分离分别为 0.08cm

低频 MHD 涨落 (<40kHz) 在电子逆磁漂游方向上传播

上轮实验小结 电子温度的剖面已经成功获得。 自相关方法对于系统的噪声要求较高。目前仅

在一道中得以实现。局域电子温度涨落的分布没有得到。

在中平面附近看到了约 100kHz 的宽带涨落模式。但由于系统的信噪比不高， k 谱还没有测得。

ECEI 目前可以提供的诊断支持

ECEI 诊断系统目前测量频率为 97.5GHz,100-112GHz, 空间分辨在 1.1cm 左右 , 已经具备提供一些事件发生的时间过程及相对涨落的测量能力 .

如果需要测量 Te 变化的绝对幅度 , 事先要进行相对定标实验 .

非欧姆放电条件下 , 系统的安全还有待考验 . 希望能在作非欧姆放电时通知我 , 有条件的话 , 想看下大功率波加热对系统的影响有多大 .

本轮实验提案继续上轮实验 , 看 r/a=0.5 以外部位的 Te 涨落情况 .

时间要求安排在系统经过几次欧姆放电的调试 ,准备好之后 .

由于要求纵场较高 , 希望是夜里的时间 , 以减小失超的可能性 .

要求前后各有一次实验机会 , 以便使实验数据完整可靠 .

继续提高纵场 , 测量 r/a=0.5 以外的约束区域的 Te 涨落的情况

在平稳欧姆放电的情况下， Ip＝ 160kA ， ne

＝ 2x1013cm-3 ，进行磁场扫描 ,每个点 5炮 :

BT=1.92,1.94,1.96,1.98, 2.00, 2.02, 2.04T,

对于纵场电流： It=4128,4171, 4214,4257, 4300, 4343, 4386

对应于径向位置 r=12.4, 13.8, 15.2, 16.6, 18.0,19.4, 20.8cm

即从 r/a＝ 0.46 扫到 0.77

谢谢！