在B型放电中，多次发现在微波辐射发生突变以后， 接着产生突然下降的情况， 并且环
电压， 环电流， 等离子体的平衡位移及硬X射线都同时有相虚的变化，如图5所示。图5a表
示了环电压和等离子体电流的波形。可以看到， 当如图5b，c所表示的8O和35GHz辐射分
别向上和向下突然变化后，紧接着(约延对几个毫秒有时选十几毫秒)迅速下降到很低水平
对，在环电压上产生了大的正尖峰，而等离子体电流产生了下降台阶，这很明显是由逃逸电
子突然大量损失所致。从电流台阶辐度可知，损失的逃逸电子携带了大约6呖的电流。图5d
为等离子体水平位置的波形。可以看到， 等离子体柱由于垂直场和铜壳的作用趋于平衡位
置， 而在上述备参数发生突变时，等离子体柱突然向内壁收缩。在多次收缩后才较严重地偏
离了平衡位置。图5e中所示的硬X射线也反映出在突变发生以后的强的发射。
我们注意到，在HL—l装置放电中发生的突变过程，如果没有造成大的损失，一般只
发生一次。但如果发生了大的逃逸损失，则在每次损失后，都会再次产生这样的突变过程。
在实验中，我们发现-了4敬这种突变一损失过程在同一次放电中连续地产生
第。卷 革3蒯 核聚变与等离子体物理
1 9 8 9年 9 月 Nuclear Fusion and Plasm~ Physic s
Vol 9， No． 3
Sep
．
1 9 8 9
HL_1装置中的相对论性非热辐射
丁玄同， 张宏荫，徐德明，张宝珠，郑永真
(柱工业西南物理研究院，四川．乐山)
枉垂直于了 径方i匈 两个直定额率( 和：5GHz)的毫米波段外差接收机研 了在HL-s
装置中等离子体的非热辐射。根据这些轾射与等离子体寄度的关系，HL一装置的放电可分为毒
种类型．并搿到两个临界密度。这些辐射特性效认为罨与连逸放电性质和逃逸动力学不程定现象
有关 在实验中还观察到了与这种不稳定性有关的一系列等离子体宏观现象以及由此引起的逃逸
损失．
曩■博非热辐射，高能逃逸电予，逃逸动力学不稳定性，达逸损失
～ 引 言
非热辐射是由等离子体中偏离麦氏分布的高能电子产生的。这种辐射已在理论上和许多
装置的实验中被广泛地研究“ 。它对研究高能电子的辐射机制，毽逸电子的约束，装置放
电的性质及某些不稳定性现象有十分重要的意义。在HL—l装置实验巾 ，已观察到在低密
度放电下，高能电子存在的一些现象，如强的硬X射线及在环电压上时正尖峰等。我们用两
个固定频率的外差接收系统(本机振荡频率分别为8O，3GGHz)对HL—l装置中等离子体的
非热辐射进行了谢量，并对实验结果进彳亍了分析。实验表明，在HL—l装置中非热辐射有明
确韵 觅律匪 这些辐射在很大程度上反映了装置中逃逸电子趵性质，它与遥逸动力学不稳定
性和逃逸电子损失有关。本文将介绍实验的安排以及实验中观察到向各种辐射现象，并对实
验结果进行分析和给出实验结论。
二、实验安排
本窦验中，在HL—l装置 垂直于火半径方向安装了两个外差接收系统，其率机振荡频
率分别为80，35GHz，辐射接收机系统原理如图1所示。实验安排有下列特点
(1) 辐射在垂直于装置大半径方向上进行观察， 因此，接收到的辐射和磁场分布的关
系较小。
(2) 在两个固定频率上接收。在纵向场 r—i．6～2．5T， 等离子体密度 e一5×10
- 2．5×10 cm 范围内， 80GHz低于非相对论电子回旋频率的二次谐波而高于它的基渡，
~5GHz小于非相对论电子圆旋额率 ，并在等离子体频率∞，。附近的一个较宽的频带内。
·l曲．
【3) 外差机具有高的时间分辨率，一般时阈分辨△， j 0p．s， 一 ‘以观察快的时间过
程。
(4) 装置来采取消除真空器壁反射
引起的去偏振效应的影响， 因而，不能分
别测量不同的模式(正常摸和异常模)。
我们接收到的是总的辐射强鏖。
另外在实验中，用硬x射线探’捌器进
行逃逸电子损失监测， 用氢化氰激光干涉
仪进行密度测量。其它电磁探针提供的环
电压、环电流和等离子体平衡位移也被用
于各种现象的分析。在实验中，用脉冲送
气来提高等离子体密度。
图t 辐射接收系统原理图
三、实验结果
在HL—l装置放电中，在80和35GHz频率上可以观察到提强的稳§辐射。在纵向场BT
从1．6到2．5T，等离子体电流，，从80到1 9okA，环电 ，芷2Y左右均平衡意鼋运行条件
下，这两个频率上昀辐射与等离子体密度之间都显示出明确昀规律性。根据辐射和密度之间
的这种规律，可以将HL—l装置的放电分为下列四种类型，分别称为A、B．C和D塑放电。
(1) 在A型放电中，等离子谁密度，J、于l×10 cm一’a芷这种条件下，两种援率灼辐
射在整个放电过程中保持一个基本不变的高承平强度，如图2所示。密度的变化基本上不影
响辐射强度。仅当密度趋近1×lO cm 时，80GHz的辐射才略有下降。辐射在放电开始
坦
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圈2 A 型放电波形
对有几十毫秒，有时超过100毫秒的上升时间。
在这种放电过程中，同时可以接收到和毫米渡
辐射时问过程一致的强的硬X射线。
(2) 在B型放电中，最大密度在l×10”
cm 到接近3×10 cm一’。在放电开始的低密
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图3 B型放电波形
度阶段，两个频率上的辐射都具有较高的水平。以后，随着密度上升，辐射强度逐渐下降。
陶3示Ⅱ{了这种放电条件下，辐射的典型波形。一般， 当密度接近lxl0 Cnl 时，80GHz
辐射开始随密度下降。当密度约为1．5×i0 cnl 时，基本上降到零， 而此时35GHz辐射仍
然具有相当高的强度。随着密度的继续上升，35GIIz辐射也逐渐下降。从图3- 见， 当密
度达到2 x l 0”cm 时，巳具有较弱的强度 实际上，35GHz辐射在密度接近3 x 10”cnl 时
才能基本上趋于零。
在B垂嗷电中的一个主要的特征是在密度下降过程中，辐射总会产生一次突变：8OGHz
辐射突然很快地上升，然后较缓慢地下降I同时， 与80GHz辐射相反，35GHz辐射突然很
快地下降。突变过程形成互补的对应关系。突变发生在密度小于l×10”cnl 时，突变处的
上升或下降时间一般在几百微秒到几毫秒范围内。当微波辐 产生突变时， 以观察到硬X
射线也略有变化 同时，存玎：电压上有时会出现正尖峰或负尖蜂。当产生正尖峰时，～ 般伴
图4 突变的对应关系
P为任意单位．，为相对单位．
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图 突变一摘失过栏
P．，单位与图●J司．
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随着较强的硬X射线发射。图4给出丁上述的各种波形在突变过程中的对应关系。在上述现
象产生的同时， 由多道光谱仪测到了H。，OI，CI，CI，CⅡ等各种杂质都有显著的增
强。
在B型放电中，多次发现在微波辐射发生突变以后， 接着产生突然下降的情况， 并且环
电压， 环电流， 等离子体的平衡位移及硬X射线都同时有相虚的变化，如图5所示。图5a表
示了环电压和等离子体电流的波形。可以看到， 当如图5b，c所表示的8O和35GHz辐射分
别向上和向下突然变化后，紧接着(约延对几个毫秒有时选十几毫秒)迅速下降到很低水平
对，在环电压上产生了大的正尖峰，而等离子体电流产生了下降台阶，这很明显是由逃逸电
子突然大量损失所致。从电流台阶辐度可知，损失的逃逸电子携带了大约6呖的电流。图5d
为等离子体水平位置的波形。可以看到， 等离子体柱由于垂直场和铜壳的作用趋于平衡位
置， 而在上述备参数发生突变时，等离子体柱突然向内壁收缩。在多次收缩后才较严重地偏
离了平衡位置。图5e中所示的硬X射线也反映出在突变发生以后的强的发射。
我们注意到，在HL—l装置放电中发生的突变过程，如果没有造成大的损失，一般只
发生一次。但如果发生了大的逃逸损失，则在每次损失后，都会再次产生这样的突变过程。
在实验中，我们发现-了4敬这种突变一损失过程在同一次放电中连续地产生。．
(3) 在C蜜放电中，当密度上升到约等于或大于3X10”cm 后，较快地下降，并在
以后较长的过程中， 密度均低于1 X 10”cm～。可以看到， 两个频率的辐射在低密度尾部逐
渐上升，井和A 蜜放电一样，辐射水平逐渐趋于恒定 辐射波形如图6所示。以上所述的放
电过程是在HL-1装置上观察到的 长尾巴”放电的典型波形。在这种放电中， 有时也会出
现如B垂嗷电中的辐射突变过程。
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图6 C型放电波形
(4) D型放电渡形如图7所示。这种放
电中，密度在较长时间内维持在大于或等于
嚣
萼
3吣弛
一
圈7 D型放电波形
3×10t m ，这段时间通常大于几百毫秒。在放电初期， 密度上升段的辐射和B型收电完
全相同。在密度下降过程中，辐射水平一般很弱， 有时完全测不到辐射，即使当密度下降到
1 x 10-。cm～a以下时，也观察不到任何信号。这种放电过程中，硬X射线一般很弱·
前面描述的各种放电中的辐射与硬X射线的关系由下列4辐照片给出，可以看到，辐射
· 152 ·
波形和硬X射线的对应关系。
l l b
l ■
C ． n
图8 辐射和硬X射线的对应关系
n——^型放电；b——B型放电：c～ C型放电：d——D型放电。1一j分剖由，p． 阿 ．{Hz．80GHz
辐射和35( Hz辐射强度．
四、结 论
根据上述实验现象， 我们将作一些分析， 并给出结论。
1． 80GHz辐射性质
在本实验的纵向场运行范围内，80GHz总是间于电子的非相对沦圈旋频率的基波及其
二次谐波之间。但如果考虑到高能电子的相对论效应，则可推导得出这是电子回旋辐射妁二
次谐波。在有相对论效应时， 电子回旋频率的二次谐波频率为
∞=2toc。=2eB／m,y．
其中 ； 【l一(v／c) 卜-b， 为电子逮度，8、m．、B分剐为电子电荷， 电子质量和纵向场
强。由于在垂直于大半径方向观察，磁场展宽效应呵以忽略，而相对论展宽效应占优势。因
此，由上式可以粗略地佶计出发射这种辐射的。电子能量。对于从I．6到2．5T的场强，电子能
量对应于60到300keV。即80GHz昀辐射是中等相对论电子的回旋辐射。
2． 35GHz辐射性质
35GHz低于非相对论电子的回旋频率∞ 并在等离子体颊率 e附近的一个较宽的范
围内。因此，在这个频率上，除了可以接收到中等相对论电子的团旋辐射外，还可能接收到
等离子体频率的辐射， 如高能电子的 呛科夫辐射 。在本实验中， 尚难确定究竟哪种辐射
机制占主要地位。坦我们从前面描述的实验现象看到：35GHz搐南衰减 9零时的密度比80
GHz辐射高得多。在35G．Hz辐射波尚未截止之前，80GHz辐射的衰减 波的传输过程基
。158
本上无关，而主要决定于高能电子在本底等离子体中热化而损失的能量。在同样的密度条件
下，能量越高的电子有较长的弛豫过程。由此叮蛳， 激发35GHz辐射的电子比激发80GHz
辐射的电子有更大的能星。
3． 非热辐射和逃连特性
由 上分析可知，被接收到的两个频率的稳态辐射是由中等相对论或强相对论电子发射
的。辐射与密度及硬X射线的关系定性地符台托卡马克中逃逸电子的理论 用这种非热辐
射的性质可以大致确定放电的选逸特性。比较前面所述的不同类型放电， 可以看到两个临界
密度忭c】～1×l0 till 和‰2～3×10 cm～。它们槲各种放电的密度曲线示于图9。当密度
低于“。 时，呈饱和状态的稳态辐射和强的硬X射线
表明．HL-I放电是强的连续逃逸放电。当密度高于
3×i0”cm 时，有可能完全耗尽初期产生的逃逸电
子。在D型放电中，即使密度降到 以下，辐射强
度仍然十分低，表明了逸种放电为非逃逸的正常托
卡马克放电。报明显，在C型放电的“长尾巴” 中仍
然维持着强的遘逸电流． 在B型放电中， 随着密度
的提高， 放电从逃逸状态逐渐过渡到非逃逸状态。
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图9 密度波形和临界密度
4． 辐射的突变和逃逸动力学不稳定性
在HL—l装置上发现崎镦波疆对突变现象在其它睫置上也曾艘观察到 。， 。这种现象被
认为是由于逃逸动力学不稳定性引起的电子在动量空闻散射的结果“ 。根据文献[1 0]的理
论，在托卡马克的『氐密蛮放电过程中， 当遘逸电子的纵甸能量F 大大毡大于潢向能量F ，
即各向异性度很高时， 由于反常多 勒共振效应而激发起不稳定性。高能电子的纵向能量很
快地转移到横向，因而螺距角 一tg． (口√u )突然增大。计算表明：当 角增大时，回旋
辐射的发射率明显地增大“ ，而在等离子体频率附近的自发切伦科夫辐射则明显地减小⋯．
在发生辐射突变时，一般平均线密度低于l X 10 elI1～，此时，在35GHz上完全可能由等离
子_皋频率的辐射占优势 由上述分析可知， 两种不同频率的微波辐射的相反变化过程反映了
能量从纵向转移到横向的过程。其它宏观效应，如硬X射线的突发，环电压上的正或负尖峰
等在文献[1O]中已有详细解释，本文中不再重复。
我们已发现选种与逃逸动力学不稳定性有关的辐射突变现象主要发生在B型放电中， 有
时也发生在C型放电中。在A型放电中，尽管能产生强的述逸，但并不发生这种突变现象。
由此可以认为，逮种辐射的突变的发生与在电子分布函数，中存在一个a，／a >O的动量 范
围有关。而这个范围的形成可能是由于在高密度条件下，部分中等能量的选逸电子被热化造
成的 在A型放电中， 由于连续的遘逸过程而不会出现of／op>o的倩况。为了进一步研究这
个现象，我们梅进行辐射频谱的侧量和分析。
5． 避连动力学不稳定性和进连损失
从上节所述的现象中可以看到这种逃逸动力学不稳定性可以引起大的逃逸损失。这是由
于高能逃逸电子在不稳定性发生时进入反损失锥中而提前与器鹫作用造成的。
我们注意到在每次大的损失发生以后，都会再次产生选逸动力学不稳定性。这是由于在
· 15~ ·
．j H
大的环电压下， 叉重新产生遣逸并逐渐加速到具有大的各向异性分布而形成的。由此可见这
种不稳定性和逃逸损失可以互为条悴地发展。各向异性分布形成 不稳定性发展一高能电子
能量转移(部分被捕获) 产生逃逸损失一重新发展逃逸电子’+各向异性再次形成。因此，
可以产生连续多次的不稳定性一遣逸损失过程。
如果在不稳定性发生后，又未造成较大的逃逸损失， 则各向异性将被缓解。在这种条件
下，要迭到不稳定产生的条件， 高能电子需要更长时间的加速。从HL-1装置的实验中，
未发现在没有大的逃逸损失条件下，连续发生不稳定性的倩况。
本实验是对HL-1装置中等离子体的非热辐射的初次观察稻研究。由于这些辐射涉及到
许多方面，因此许多复杂的现象尚未很好地解释。在本文中的分析也只是初步的定性研究，
还有很多工作可以进一步深入研究。
在率工作开展过程中， 董家齐、邓中朝、袭定夫等给予了很六的帮助， 在此裘示衷心的
感谢。同时向HL一1装置所有参加运行和数据处理的人员表示谢意。
参考文献
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[tl】吴京生等．物理学报．2g(1)，46(!gBO)。
， 编辑部l98B年in月21日收稿、
I )
l989年3月30日收鲫修改稿
RELATIVISTIC NONTHERMAL RADIATION IN THE HL一1 DEVICE
D ING XRantong ZH ANG Hongyin XU Demfng
ZHANG Baozhu ZHENG Yolgzhen
(Southwestern Institute of Physics，Lesban，Siehuan)
A BSTRACT
Non—thermal millimeter radiation from the plasma in the H L—l device has
been investigated at two fixed frequencies (80GHz and 35 GH z) by means of
two superheterodyne receivers which are set up i11 a direction vertical to the
majo~radhis．In view Of the relation between this radiatiOI2 and the plasma
density， discharges in H L-1 can be classifit d into four types Two critical
(下转第188页)
· 155 ·
EXPERIMENTAL STUDY OF REIONIZATION LOSSES IN
A DRIFT DUCT
ZHANG Beichao CHEN Miaoshen QIU Lijian
(Institute o r"Plasms Physics．Academia Sittica．Hefei．Avbui)
A BSTRACT
This paper gives the experimental and theoretical results of rcionization
losses of energetic neutral beam in a drift duct without stray magnetic field．
The calculation results of losses in the presence of magnetic field are also given．
The loss rates are about 3．1嘶- 5．2嘶when the neutral beam energy ranges
from 10kV- 25kV and the background gas pressure in the duct i s 1．33 x 10～Pa．
Key words Drift duct，Reioni zation losses
(上接第155页)
value$ of density are found．
Runaway properties and phenomena pcrtaining to
runaway kinetic instability are thought to be related to this radiation．A
series of macroscopic phenomena and losses caused by the runaway kinetic
instability 8re also investigated．
Key _ords Non—therma1 radiation， High energY runaway electr。n。
Runaway kinetic instability， Runaway losses．
， 19B
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