博士论文答辩17

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1、中国科学院等离子体物理研究所博士论文答辩论文题目托卡马克等离子体边界径向电场的产生与数值模拟研究导师：张晓东研究生：刘玉文根据张晓东研究员关于H-模与负径向电场方面的有关思想和设想，围绕张晓东研究员承担的国家自然科学基金项目《H-模中负径向电场产生和控制研究》进行工作的。主要研究内容一、荷电粒子在托卡马克磁场中的漂移与边界负径向电场的产生二、托卡马克中荷电粒子运动方程的建立与数值模拟三、负径向电场对荷电粒子运动的影响及其数值模拟四、边界负径向电场的模拟求取一、荷电粒子在磁场中的漂移与边界负径向电场的产生1、荷电粒子在梯度和曲率磁场中的

2、漂移速度2、梯度磁场和曲率漂移对荷电粒子运动的影响3、负径向电场的产生1、荷电粒子在梯度和曲率磁场中的漂移速度由上式易知梯度和曲率漂移的速度与粒子能量成正比，而与其质量无关。对于电子和离子，在能量和电荷数相等时，梯度和曲率漂移的速度大小相等，方向相反。2、梯度磁场和曲率漂移对荷电粒子运动的影响起点压缩轨迹起始磁面扩张轨迹离子漂移方向压缩区扩张区赤道面内翻香蕉轨迹起始磁面外翻香蕉轨迹离子漂移方向起点压缩区扩张区赤道面3、负径向电场的产生（理解）根据前面的讨论可知在托卡马克磁场位形下，相同能量的电子和离子，虽然它们的梯度和曲率漂移速度大小

3、相同，但是由于电子的速度远高于离子，导致电子停留在扩张区或压缩区的时间远小于离子，从而使两者的漂移位移相差很大。在等离子体边缘区域，高能成分的离子由于漂移位移比较大可能运动出等离子体而损失掉，使得边界区域中电子数量或密度大于离子数量或密度，即净电荷为负，产生负径向电场。二、托卡马克中荷电粒子运动方程的建立与数值模拟1、荷电粒子运动微分方程组的建立2、荷电粒子在托卡马克中运动轨迹的模拟3、通行粒子在托卡马克中漂移位移的模拟求取4、香蕉粒子在托卡马克中漂移位移的模拟求取1、荷电粒子运动微分方程组的建立zyxoo1x’MN（1）磁场位形（2

4、）运动微分方程组初始条件:2、荷电粒子在托卡马克中运动轨迹的模拟(1)通行粒子轨迹电子和氘离子运动起点分别在低场侧、高场侧赤道面上，速度方向取在o-xy平面内，与纵场夹角为0度和180度，运动轨迹如下：T=1keV氘离子起点在低场侧起点在高场侧氘离子(2)香蕉粒子轨迹氘离子运动起点在低场侧赤道面上，速度方向取在o-xy平面内，与纵场夹角为60度和120度。T=1keV3、通行粒子在托卡马克漂移位移的模拟求取模拟条件为：R0=1000mm，B0=2T，安全因子q取1、2、3、4，离子能量取Ti=0.2keV、1keV、3keV、5keV

5、、7keV、10keV。氘离子运动起点在低场侧赤道面上，速度方向取在o-xy平面内，与纵场夹角为0度。（1）安全因子、粒子能量对最大漂移位移的影响——在安全因子不变的条件下，最大漂移位移随粒子能量的增大而增大。在能量一定的条件下，最大漂移位移随安全因子的增大而增大。模拟条件为：R0=1000mm，B0=2T，安全因子q取1、2、3、4，离子能量取Ti=1keV，氘离子运动起点在低场侧赤道面，速度方向取在o-xy平面内，与纵场正方向夹角为0度、10度、20度、30度。（2）粒子运动速度方向对最大漂移位移的影响——随着角度的增大，漂移位移

6、增大，但幅度不大。经推导漂移面中心对磁面中心的偏移为：模拟条件为：R0=1000mm，B0=2T，安全因子q=3，离子能量取Ti=1keV、3keV、5keV，氘离子运动起点在小半径方向（极向o-xz平面内）依次取0度（在低场侧赤道面上）、45度、90度、135度（逆时针方向）。（3）粒子运动起点位置对最大漂移位移的影响——荷电粒子的最大漂移位移与起点位置无关。模拟条件为：R0=1000mm，B0=2T，安全因子q=3，离子能量取Ti=1keV、3keV、5keV，氘离子运动起点在小半径方向（极向o-xz平面内）依次取0度（在低场侧赤

7、道面上）、45度、90度、135度（逆时针方向）。（4）起点位置对向外跨越磁面（空间）位移的影响——向外跨越磁面（空间）位移与起点位置有关。氘离子运动起点在低场侧赤道面上，速度方向取在o-xy平面内，与纵场夹角为，折转角。T=1keV4、香蕉粒子在托卡马克中漂移位移的模拟求取经推导香蕉曲线离开磁面圆弧的最大偏移：三、负径向电场对荷电粒子运动的影响及其数值模拟1、负径向电场对离子运动速度的影响2、负径向电场对离子最大漂移位移的影响3、负径向电场对香蕉粒子出现区域的影响4、负径向电场对离子运动轨迹的影响5、负径向电场随半径变化对离子运动的

8、影响（1）理论解释1、负径向电场对离子运动速度的影响电漂移速度：（2）考虑负径向电场时粒子运动微分方程初始条件:（a）氘离子运动起点处于低场侧赤道面上处，初始运动方向与纵场相反。计算中取，具有梯度磁场。（3）模拟计算（b