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CT-6和CT-6B装置始末11 精选

已有 1748 次阅读 2017-12-4 14:27 |个人分类:科技漫谈|系统分类:科研笔记|关键词:电子回旋波

CT-6和CT-6B装置始末11


我在1987年的总结上写道:“基础研究的生命力在于物理实验工作。物理实验的关键在于正确选题、合理组织,并不断深入下去。”但是实际上我们没有完全这样做。如上述的几项研究工作,按说选题都很好,但是做出一些初步结果就没有深入下去,浅尝辄止,也就不能发表高水平的学术论文。究其原因,诊断设备不够是其一。但主要是当时好像习惯这样的研究方式,大家都一样。

更深刻的原因是起点不高,对自己的要求不高。或者说,不十分珍视自己的研究成果。像我们初期的一些工作,按说写仔细一点,投稿到国外应没有问题,但是总感觉水平不够,当然英文差也有关系。

所以在这个时候,我就决心选择几个题目,坚持三五年时间做下去。这几个题目是电子回旋波、交流运行和交流调制,以及等离子体涨落。

先说电子回旋波。这个工作实际上是在陈春先时代打下的基础,并与电子所四室长期合作取得的成果。早在1970年代,电子所就开始发展回旋管,其参数达到频率几十GHz,脉冲长度10毫秒左右,脉冲功率可达200kW。但是回旋管运行需要一个强磁场,这个磁体由他们自己设计制造,但是需要一个很大容量的直流电源,因为磁体是常温水冷的。这个电源由我们所置备。此外,还需要一个脉冲高压电源。这个电源只能自己设计装配。我们101组的姚鑫兹、罗耀全、粟达人完成了这个任务,还因此得了院的科技进步二等奖。其他一些单位也曾采用这一电源设计。这样一来,电子所做出了回旋管,只能拿到我们所测试,使用水负载测量功率,所以回旋管的研制算是我们两所的合作项目。当时这样的合作都是很愉快的,没任何芥蒂。在以后的实验工作中,电子所张世昌等人也予以很大帮助。

总之这个回旋管是成功的,达到指标在当时也算可以,对我们的小型实验装置也足够了,为在我们装置上开展电子回旋波加热实验准备的条件。

当时在我们装置上装备了两个回旋管系统。一个的频率是34.34GHz,输出脉冲功率150kW,波从装置侧面注入。另一个频率是20GHz,功率稍低,管子安装在装置上面,波从上方注入。所说功率都是标称值,实际输出要少一些,再加上传输损耗,注入到等离子体也就是每根管子几十kW左右。

我们用这两回旋管系统注入到平衡等离子体,观察到明显的加热效果。我们的装置上的等离子体电流最高34kA,一般20kA,环电压大约2V,加热功率几十千瓦。而电子回旋波的功率也是这个量级,即使部分被等离子体吸收也能呈现明显效果,所以这个实验结果是很自然的。但是这项成果是国内托卡马克上首次得到辅助加热效果的实验,后来还开了成果评议会,向国际聚变会议投了稿,也是我们实验室首次在这个会议上发表文章。

但是我知道,我们在这条道路上走不了多远。从物理研究角度看,这项成果算不了什么。这类研究在外国许多装置上广泛进行过。我们小型装置当然也能进行更详尽的研究,但是我们的诊断手段不行,很难超越人家的水平。所以我们决定将电子回旋波用于放电启动方面,在这个问题上进行深入研究。

所谓放电的启动,包括产生等离子体和产生等离子体电流两方面。在托卡马克装置上,使用欧姆变压器同时完成这两方面的任务,即在击穿工作气体,产生等离子体的同时,在等离子体中感应环向电流。但是,为了便于击穿,降低击穿电压,经常预先产生少数初始自由电子,称为预电离。我们在CT-6阶段,曾使用分布作用腔振荡器进行过电子回旋波预电离实验。这种器件是连续工作的,输出功率100瓦量级。而现在的回旋管的功率是几十千瓦量级,较以前强得多。

在加上环向磁场条件下注入电子回旋波,得到密度达到1012cm-3量级的微波预电离等离子体。须知,一般托卡马克等离子体的密度也就是1012-1013cm-3量级,所以这个密度相当高,值得研究。

下一步就是使用电子回旋波产生等离子体电流。其法也不是我们提出的,在日本京都大学的几个装置上进行过很多这类实验。后来我们和他们有许多交流。这一方法是使用强的环向场和弱的垂直场,构成倾斜的磁力线,使得在一个方向运动的电子借助于磁场漂移能绕大环运动,而另一方向运动的电子不能,于是产生净环向电流。但是这种方法依赖于开放磁力线,所得到电流有限,在我们装置上也就是三四百安培。在此基础上再运用变压器启动,就可节约变压器的伏秒数,减少逃逸电子。

我们选择这一研究方向,是因为感觉这一方向意义重大,而且我们小型装置一样可以贡献力量。这是因为,将来的聚变反应堆必须是连续运行的,所以主要驱动电流的方法不能是欧姆变压器,而是以波驱动或者自举电流为主要成分。所以在聚变堆里,欧姆变压器只起个启动的作用,而在后期的连续运行中完全不起作用或只起很少的作用。所以,如果能以其他方式启动等离子体电流,就能完全取消欧姆变压器,可使堆的结构大大简化。

我们在这方面进行了一系列实验,包括预电离等离子体本身,以及与欧姆变压器启动相衔接的实验,发表了一些文章。我们还首次进行了一项实验,是郑少白提出的思想,就是在装置内部的上下部分安装了两个放电电极。外加电源放电时,电子通过强的环向磁场和弱的垂直磁场构成的螺旋磁力线运动,使放电电流放大若干倍,成为初始的环向等离子体电流。使用这一方法得到的等离子体电流接近1kA

这些工作直到最近还有同行予以引用。


CT-6B托卡马克,装置上方是回旋管,前面主要是激光散射设备





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