高能粒子的行为研究，对于未来燃烧等离子体以α粒子的电子加热为主的聚变反应堆来说，具有重要意义。快电子的逃逸规律与逃逸阈值，逃逸电子的诱发、转换与控制，逃逸电子对第一壁材料的影响，是目前国际热核实验堆(ITER)的相关课题。通过实验研究了HT-7欧姆放电逃逸电子的动力学过程，首次观察到了脉冲充气效应对逃逸不稳定性的触发与转换的一种新现象，取得了重要实验结果。调研了托卡马克电子回旋辐射诊断原理，研究了HT-7托卡马克多道电子回旋辐射(ECE)诊断系统，参与了ECE测量系统的改进、及其系统标定，基本掌握了托卡马克等离子体的电子回旋辐射诊断原理和技术。此外，参加了HT-7和EAST多项物理实验研究。　　 HT-7逃逸电子动力学的实验研究具有重要意义。逃逸电子对ITER第一壁材料的影响很大，理论计算ITER逃逸电子的能量可达几百MeV，大约100炮大破裂就可以严重损伤第一壁材料。托卡马克等离子体中的电子不仅受到碰撞阻尼力，还受到电场的加速。电子受到本底等离子体的碰撞阻尼力和电子速度的平方成反比，受到的电场力为一常量，当热电子受到的碰撞力平衡于电场力，这时的速度大小就是逃逸的速度阈值。当电子的热速度高于逃逸的速度阈值时，电子就成为逃逸电子，被电场加速到更高的能量。由于等离子体中的电子的分布函数呈现麦氏分布，有小部分的高能尾部存在，这些高能尾部很容易成为逃逸电子。逃逸电子最终获得的最大能量主要取决于电场加速、同步辐射损失、以及装置的小半径。当逃逸电子的同步辐射损失平衡于从电场中吸收的能量时，逃逸电子到达最大能量。变压器的伏秒数决定了逃逸电子可以吸收的能量；逃逸电子的同步辐射决定了逃逸电子的能量损失，同步辐射引起的能量损失大小和pitch角的平方成正比，和逃逸电子的自身的能量的平方成正比；装置的小半径决定了可以约束住的逃逸电子的最大能量。逃逸电子的生成会严重影响装置的第一壁材料以及诱发一些不稳定性。因此我们必须尽量避免逃逸电子，或者在逃逸电子分布显著的时候采取措施抑制逃逸的能量或者数量。低杂波为逃逸的抑制提供了可选的方法。一些装置上采用大量喷气、注入液氦或者弹丸注入方法实现了较好的逃逸抑制以及破裂迁移，保护了装置的第一壁材料。本文首次观察并报道了脉冲充气对逃逸不稳定性的触发与转换效应的一种新现象。　　 非麦氏分布的逃逸电子会激发一些等离子体不稳定性。电子等离子体频率和密度成正比，密度的降低引起电子等离子体频率降低，而电子回旋频率不变，当低密度等离子体中心满足电子等离子体频率低于回旋频率，ωpe/ωce<1，一些电子等离子体频率附近的波被激发，逃逸电子和波作用被散射，垂直能量增加。垂直能量的增加会增大逃逸电子的同步辐射功率，从而使得逃逸电子能量降低。这些低能逃逸电子可以有效携带等离子体电流，从而等离子体环电压下降。由于低能逃逸电子数量多，所以ECE信号上会观察到辐射增强。这种现象称为NPAS (normal pitchangle scattering)，图1是我们在HT-7装置进行演示的低密度NPAS逃逸放电。　　 由于托卡马克装置的磁场由有限的线圈形成，磁场有一定的波纹，波纹随等离子体半径增大而增大，逃逸电子经历这个波纹会受到调制。当逃逸电子经历的磁场波纹调制频率和自身的回旋频率相近的时候，就会发生共振，发生共振的时候，逃逸电子会发生pitch角散射，逃逸电子的垂直能量增加，而同步辐射功率和逃逸电子的pitch角的平方成正比，从而阻止了逃逸电子能量的进一步增加。如果逃逸电子的能量损失小于环电压的能量增益，则逃逸电子可以跨越这个谐波阶数的共振，直到某一个共振谐波(n)可以阻止逃逸电子能量的增加。逃逸电子的回旋运动可以和磁场波纹的谐波分量发生共振，在一定条件下可以产生反常多普勒共振(anomalous doppler resonance)，这个机制可以将电子的平行能量快速转化到垂直能量。这种逃逸电子的FPAS(fast pitch angle scattering)事件是和等离子体不稳定性激发的波相互作用的结果。TEXTOR-94在电流衰减阶段观察到了逃逸电子的FPAS现象，ECE信号台阶式的增加。在弹丸注入的实验中也观察到了FPAS现象，同步辐射信号和ECE信号瞬间增强，pitch角在几百微秒内从散射前的0.1度增长到0.17度。HT-7也观察到了在电流衰减阶段的FPAS现象，如图2所示。　　 在等离子体电流衰减的时候，等离子体的安全因子增加，从而逃逸电子的轨道变宽。可能是磁场波纹的变化以及逃逸电子的轨道的变化引发了逃逸电子的反常多普勒共振和快速pitch角散射。一般认为，反常多普勒共振机制产生的FPAS逃逸放电比NPAS逃逸放电的危害性大。　　 HT-7托卡马克实验中，一种新逃逸行为的等离子电流下降放电首次被发现。在逃逸放电过程中注入氘，通过改变气体的脉冲宽度和注入时间对逃逸电子的动力学行为进行观察。结果发现，氘注入使得逃逸电子的二次激发产生的更早，而且FPAS行为可被转化成NPAS行为，以高电子能、低环形电压为特征，随着脉冲注入时间变化而变化。NPAS的转变是在FPAS产生前注入氘气来实现的，随着注入时间发生改变。所有放电过程中，氘气的注入为0.6 Pascal m3，脉冲宽度为20 ms保持不变。可以观察到，电子能量升高，不稳定性增强，放电转变为NPAS放电。低密度放电过程产生的各种信号如图4所示，中心环形磁场强度为Bt=2T。图4是HT-7脉冲充气触发NPAS事件并且抑制FPAS事件的逃逸放电实验。在相同的实验条件下，不同时刻的三炮脉冲氚气放电都立刻触发了NPAS事件；没有脉冲充气时的放电表现为FPAS逃逸放电。实验表明充气20ms后出现NPAS现象，据此能够确定控制理想不稳定性的触发时间。实验过程中观察到伴随FPAS硬X射线明显增强，而NPAS情况下硬X射线辐射无明显变化，因此NPAS对于未来一些装置像ITER，在低密度运行或快速关断条件下是一个较好选择，有利于保护限制器和内真空壁结构。所以只要通过微量冲气，FPAS就能够转化成NPAS，有利于避免聚变装置的大破坏。电子温度的空间分布结果表明逃逸电子携带大量等离子体电流，对于提高逃逸区的等离子体约束有着积极作用，尤其在充气放电模式下的高能电子控制出现NPAS，非常有学术意义。　　 伽马能谱通过检测逃逸电子与壁相互作用产生的伽马射线计算逃逸电子能量。在HT-7托卡马克上使用伽马能谱系统检测的最大逃逸电子能量是12 MeV。最大逃逸电子能量与逃逸动力学理论。预测的最大能量相符。氘放电中从能谱计数中减去中子捕获伽马射线可以得出由于逃逸电子产生的伽马射线。中子捕获伽马射线大小通过无逃逸放电获得。实验结果与逃逸电子动力学粒子模型进行比较。假设伽马射线能谱分布的终点是逃逸电子的最高能量。逃逸电子动力学包括粒子在电场中的运动、与等离子体内的粒子碰撞、同步辐射损失等条件。　　 本论文对逃逸电子动力学的物理机理开展了深入研究。　　 作为本人博士学位论文的另一个重要部分，研究了HT-7托卡马克多道电子回旋辐射(ECE)诊断原理和方法。X模式是ECE可被检测的唯一模式，其光学深度大于1。实验中，我们利用宽带外差辐射计来测量X模式频段范围在98-126GHz的次级谐波。该系统由16测量道组成，小半径方向彼此间距2cm，可给出纵场(Br)为1.0-2.5 T、低场侧电子温度。　　 电子温度的结果可从ECE标定获得。首先，对ECE系统进行16道标定，等离子体自身是最好的宽带微波源，相同等离子体放电，连续炮中相邻道(同等等离子体体积)的纵场只存在着微小的差别。假设并观察到BT的微小改变不会显著改变等离子体的温度以及其他参数，因此等离子体为相邻道提供同样的辐射源，各频率下的标定参数即可获得。　　 基于HT-7托卡马克标定后的ECE诊断系统，可进行欧姆放电下与ECE电子温度测量有关的多种物理实验研究。　　 最后总结，本论文研究了HT-7欧姆放电逃逸电子的动力学过程，首次观察到了脉冲充气效应对NPAS逃逸不稳定性的触发与FPAS转换的一种新现象，取得了重要的实验结果。调研了托卡马克电子回旋辐射诊断原理，研究了HT-7托卡马克多道电子回旋辐射(ECE)诊断系统，参与了ECE测量系统的改进、及其系统标定，基本掌握了托卡马克等离子体的电子回旋辐射诊断原理和技术。