中文摘要：

一直以来在托卡马克等离子体的平衡稳定和输运等性质的研究中只关注了密度剖面、温度剖面和磁场位型，近年来的研究表明等离子体转动也是一个重要的状态参量。足够的转动可抑制湍流，有效抵御等离子体不稳定性，从而提高等离子体的约束性能。等离子体自身存在一个固有转动惯量，它与等离子体的动能等参量存在一定的定标关系，但在外界驱动时，等离子体转动速度会发生变化。本课题希望利用超声分子束切向注入来改变等离子体边界区域的相关物理过程进而影响等离子体转动速度。如此，则可进一步探究驱动转动的机理，探索一简单易行的转动驱动方法。同时研究超声分子束注入对MHD行为的直接影响，也有助于改善输运，提高约束性能。课题基于J-TEXT装置，从垂直、沿极向切向和沿环向切向三个方向进行超声分子束注入，进行比较，考察超声分子束切向注入对等离子体转动和MHD的影响，研究动量传输及其他相关物理过程，探究超声分子束驱动等离子体转动的可行性。

结论摘要：

超声分子束注入（SMBI）作为一种高效易操作的加料方式已经被广泛应用于多个托卡马克装置上，用于加料及ELM缓解等相关研究，但是其许多基本物理过程尚不清楚。本课题旨在研究SMBI注入下等离子体基本物理过程的研究，如注入效率、深度、传播过程等，以及注入后对等离子体转动、磁流体行为的影响极其物理机理的探究，且尝试研究了切向注入对等离子体的作用特性。　　　基于本课题，在J-TEXT装置上建立了一套SMBI系统，该系统包括两个注入器，可进行垂直注入和切向注入。工作气压0~2MPa，最小工作脉宽0.3ms。其中一套配备有冷阱可用于低温注入。　　　首先，开展了SMBI注入过程的研究。我们对该系统进行了注入量标定，获得了注入粒子数与背景气压、注入脉宽之间的定量关系。在此基础上，我们开展了注入效率、注入深度及注入后等离子体宏观参数剖面演化的研究。结果表明，SMBI的注入效率可高达40%，但是随着背景等离子体密度的升高注入效率下降，注入深度约在归一化半径0.8~0.9的范围内，注入后明显引起等离子体密度整体的提升和剖面的峰化，首先引起边缘区域的密度提升，随后向内输运使得密度剖面峰化。在某些密度较低的放电条件下，我们还能够看到等离子体边缘温度下降而芯部温度升高的非局域热输运现象，我们也开展了初步的研究。　　　其次，我们也开展了SMBI注入对等离子体磁流体行为的研究。在没有MHD振荡时，SMBI注入量合适有助于等离子体密度的整体提升，但若注入量超过某一阈值，会激发出MHD振荡，通常激发的为2/1模的单模式振荡，该情况下随伴随密度的迅速提升，但约束性能较低，随之下降很快，并不能有效提升等离子体参数；但在某些情况下，可以激发出2/1和3/2共存的混合模式，在该模式下3/2模抑制了2/1模的增长，使得振荡最终减弱，约束性能并不会受到影响，往往能够获得较高的密度。最后，我们开展了SMBI不同方向注入对等离子体转动的研究，实验发现在SMBI注入后等离子体环向转动速度在等离子体电流反方向加速，在边缘甚至由电流同向变为反向，而边缘极向流速减小，边缘径向电场也有所下降。实验证明，该转动变化并非由SMBI的切向注入动量所产生，不同方向注入现象基本一致，更多的是由于等离子体密度的变化所导致的等离子体本振转动的变化。在等离子体密度爬升时，等离子体的环向转速也在电流反方向加速。