[发明专利]一种测量等离子体电流分布的极化ECE诊断系统

说明书

技术领域

本发明属于一种核聚变等离子体诊断领域，具体涉及一种测量等离子体电流分布和安全因子分布的极化电子回旋辐射(ECE)诊断系统，它具有时间和空间分辨率高、成本低、定域性好等优点。

背景技术

托卡马克等离子体的极向磁场是由等离子体电流产生，极向磁场或安全因子q＝rB_Φ/RB_θ的分布是等离子体约束研究的一个非常重要的参数，对分析等离子体输运、磁岛的形成、磁流体不稳定性、锯齿崩塌以及等离子径向电场分布等都具有重要的意义。近年来，为实现等离子体高约束的稳态运行，提出了多种先进托卡马克运行方案，比如使等离子体中心电流产生反剪切分布，即对应的等离子体电流呈中空的分布；另一种常用方法是磁场弱剪切,即芯部磁场位形出现较为平缓的分布，其安全因子的值保持在1附近或大小1。这些运行方案都对等离子体电流控制提出了更为严格的要求。

等离子体电流控制需要准确测量等离子体的电流分布或q分布。目前有3种方法来测量电流分布，它们分别是内部磁位形重建(EFIT)、远红外极化干涉测量法拉第旋转和动态斯塔克效应(MSE)诊断。EFIT采用外部磁测量信息，再利用等离子体的内部磁测量数据重建等离子体的电流密度分布，但是这种方法完全依赖于外部磁探针信号，对等离子体特别是芯部的重建，误差较大。法拉第旋转和动态斯塔克效应(MSE)方法用于测量极向磁场分布的螺距角，然后通过积分反演等得等离子体电流分布和安全因子q分布。法拉第旋转效应一般采用远红外极化干涉仪系统测量，它的基本原理是基于电磁波的磁光效应，当一束线偏振波通过具有磁场为B的等离子体内部时，若波的角频率ω比等离子体频率ω_pe和电子回旋频率ω_ce都大很多，且波矢k平行于等离子体中的磁场方向时，则等离子体就与无吸收的旋光介质相类似，它会使在其中传播的电磁波的偏振面发生旋转，这就是著名的法拉第旋转效应。若已知电子密度和波的旋转角度，就可以求出沿测量弦的磁场，测量不同位置弦上的弦积分磁场，就可获得磁场强度在径向的分布。但由于该方法测量的是磁场的积分量，即使是知道电子密度的分布，也要假定磁场的分布函数，通过函数反演求得磁场的分布情况，因此会引入较大的误差。动态斯塔克偏振诊断是一种依赖于中性束注入技术而发展起来的主动诊断方法，它通过准确测量发射的H_α光谱的偏振态获得磁场螺距角的信息，是一种定域测量。但是由各种因素引起的谱线展宽远大于谱线的斯塔克分裂，导致不同分量之间严重交叠，特别是在低磁场条件下难以获得单一谱线分量。此外，在偏振光的传播过程中会由于镜面反射和窗口玻璃等因素引入额外的法拉第旋转而改变光线的偏振状态，对测量造成各种不确定性。另外，MSE还依赖于中性束注入条件才能测量。基于以上种种原因，MSE偏振诊断一直是国际上公认的难度最大但也是最重要的诊断之一。远红外极化干涉仪和动态斯塔克偏振诊断的系统都比较复杂，系统体积较大，价格贵，维护困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量等离子体电流分布的极化ECE诊断系统，它能够解决等离子体电流分布测量系统如动态斯塔克效应和远红外极化干涉诊断系统复杂、系统体积庞大、价格贵、维护困难等问题。