托卡马克装置

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等离子体在环形螺旋磁场中的约束
托卡马克装置中的磁场，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”。
II、世界上现有g束线站的简 介 高能g光束线
光子束性能 装置 产生方法 ēBrem. coh.Brem. ēBrem. coh.Brem. ēBrem. coh.Brem. Compton Compton Compton Compton Compton 能量(MeV) 140-800 -400 500-2400 -1.2 300-2300 -1800 -1600 180-320 280-470 550-1470 1500-2400 200-870 强度 (10 s MeV-1)
3 -1
极化 circular ~0.8 linear ~0.4 circular ~0.3 linear ~0.4 circular ~0.8 linear ~0.4 both ~1 both ~1 both ~1 both ~1 both ~1
德国 MAMI/Mainz 德国 ELSA/Bonn 美国 CEBAF 俄罗斯 ROKK-1M/VEPP-4M[6] 美国 LEGS/NSLS 欧洲 GRAAL/ESRF 日本 LEPS/Spring8 * 中国 SLEGS/SSRF
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等离子体磁通函数
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。
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PRL 91, 012002 (2003); SCI citation: 177
CLAS/JLAB Results
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等离子体磁通函数
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等离子体磁通函数
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等离子体磁通函数
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Grad Shafranov平衡方程
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Grad Shafranov平衡方程
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Grad Shafranov平衡方程
上海激光电子伽玛源装置
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 g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；
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等离子体磁通函数
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。
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托卡马克装置工作的基本原理
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
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托卡马克装置工作的基本原理
托卡马克是一种轴对称的环形系统，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。
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托卡马克装置的磁场形态
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。
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等离子体在环形螺旋磁场中的平衡
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。
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托卡马克装置的磁场形态
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。
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托卡马克装置的发展历史
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)
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g光源：康普顿背散射、韧致辐 射、束发射 低能极化或非极化g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g光子束， 推 动了光子在自由和束缚核子上的散射 康普顿背散射（BCS）方法有几个优点： 和反应的实验研究。
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等离子体在环形螺旋磁场中的约束
应该注意，如果有了磁场误差或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。
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等离子体在环形螺旋磁场中的平衡
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
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托卡马克装置的磁场形态
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托卡马克装置的磁场形态
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。
Shanghai Laser-Electron Gamma Source
（SLEGS）预制研究
Outline
I. II. III. IV. V. VI. 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
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等离子体(Grad ShafraBaidu Nhomakorabeavo)平衡方程 对于托卡马克平衡而言，它有两个基本 的出发点： (1)磁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。
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等离子体在环形螺旋磁场中的平衡
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105～106m/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。
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），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。
50 10 5 50 2 1 33 1 1 10
Spring-8 Result
Q+
Q+
g+ C(n/p) K- K+ (n/ p) Cuts: no fK+Kno recoil p (gn only) Missing mass for n
M = 1.540.01 GeV G < 25 MeV Gaussian significance 4.6s
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托卡马克装置等离子体 平衡和控制
Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences
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托卡马克装置等离子体平衡和控制
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