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2024年 第44卷 第2期    刊出日期：2024-06-15

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核聚变工程

HL-2A装置二氧化碳激光相干散射系统的研制

文若楠, 姚 可, 刘 仪, 许宇鸿, 石中兵, 钟武律

2024, 44(2):  125-132.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202402001

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在HL-2A装置上成功研制了一套CO₂激光相干散射诊断系统，采用了能提高系统空间分辨的切向布局以及双通道的零差式探测设计。两个通道能够同时测量等离子体芯部(ρ≈0.28)波数在10~45cm⁻¹范围中小尺度的湍流变化，其波数分辨率为±3cm⁻¹，时间分辨率为0.5 QUOTE  μs，能够为等离子体芯部输运研究提供重要数据。此外，由于本诊断系统采用的是主光束与本振光束同时穿过等离子体的光路设计，它还能够探测到等离子体芯部的大尺度宏观等离子体扰动。诊断信号的分析结果显示该系统可以准确地响应等离子体芯部小尺度湍流的变化，同时也能够为芯部宏观不稳定研究提供诊断数据。

偏滤器部件中W/Cu模块传热的数值模拟分析

张小强, 鲁碧为, 刘家琴, 孙 飞, 吴玉程

2024, 44(2):  133-140.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202402002

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利用理论公式和CFX仿真分别对偏滤器部件中平板型W/Cu模块进行稳态热分析，获得了不同热流密度下W/Cu模块的温度场和应力场的变化。理论计算得到的对流传热系数约为52304W·(m²·K)^‒1，而用CFX仿真分析得到的为35168~52186W·(m²·K)^‒1。此外，两种稳态热分析方式得到的W/Cu模块的温度场数值相近；在20MW·m^‒2热流密度下，W/Cu模块的温度场、应力场分析结果均超出了对应材料的许用范围，严重影响了偏滤器部件的稳定运行。

HL-2A装置低频漂移波模数据库与机器学习初步研究

沈 勇, 董家齐, 李 佳, 韩明昆, 沈煜航, 张晓然, 刘嘉言, 王占辉, 李继全

2024, 44(2):  141-148.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202402003

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本文探索建立了HL-2A/3装置实验漂移波模数据库，并以此作为样本数据库，通过机器学习方法，利用人工神经网络预测托卡马克放电中漂移波模不稳定性的发生及其强度，为实现HL-2A/3等离子体实时参数控制提供参考。首先基于电子/离子温度梯度(h)、俘获电子份额(e)、局域安全因子q和磁剪切s等4个基本参数构成的参数数据组(h, e, q, s)作为变量，其他参数取有效的常数值，利用HD7代码计算相应模特征值数据，构建了一个低频漂移波模基本数据库。然后，基于BP神经网络与支持向量机(SVM)模型，分别进行了机器学习建模与编程实验，验证了对HL-2A装置离子温度梯度(ITG)\俘获电子模(TEM)不稳定性进行智能预测的可行性。研究结果表明，通过将参数集与数据集进一步扩充成完备数据库、并加快BP神经网络训练速度、或采用深度学习等更复杂模型，可以最终实现前述漂移波模预测目标。

基于深度学习的HL-2A鱼骨模识别算法研究

朱晓博, 夏 凡, 杨宗谕, 刘锋武, 龚新文, 刘宇航, 张 毅, 施培万, 陈 伟, 于利明, 陈正威, 钟武律

2024, 44(2):  149-156.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202402004

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基于深度学习的方法，在HL-2A装置上开发出了一套鱼骨模(FB)识别算法。算法使用858(780次放电训练，78次放电验证)次放电数据、约46.38万数据切片进行训练与验证，得到了一个主要由卷积层、残差连接层、全连接层组成的卷积神经网络。为衡量算法的识别能力，该算法被用来扫描式地识别了HL-2A装置的780次放电数据，共识别出86820次FB区间，其中误识别4327次，误报率为4.75%。在实际的97145次FB区间中，漏识别10325次，对应的漏报率为10.63%，总整体的识别正确率达到了94.26%。该误报率和漏报率可以满足FB识别的精度要求。

HL-2A装置相衬成像系统的安全连锁与远程监控

龚少博, 余 羿, 王志斌, 王华杰, 袁金榜, 刘 灏, 吴 婷, 龙 婷, 陈逸航, 柯 锐, 聂 林, 王占辉, 孙爱萍, 许 敏

2024, 44(2):  157-162.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202402005

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通过在相衬成像系统光路中引入电控安全快门控制激光输出，并使用延迟电路实现了安全快门与HL-2A放电运行的同步触发，保障了诊断系统的安全运行，安全快门时间响应为26ms，其抖动误差1ms；利用四象限传感器实现了激光束斑位置的实时监测，获得了HL-2A装置垂直和水平方向的振动数据。所发展的电控快门技术和激光实时监测系统不仅能够大幅提高相衬成像系统的安全性和可靠性，对于HL-2A/2M装置诊断系统的发展和完善也具有重要意义。

氦冷固态包层氚增殖球床气体和粉末流动特性的数值研究

王开松, 刘明宗, 汪 键

2024, 44(2):  163-169.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202402006

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基于计算流体力学和离散元耦合分析，研究了氦冷固态增殖包层球床中吹扫氦气的速度分布和破碎的正硅酸锂粉末速度随时间的变化及粉末数量随氦气入口流速变化。模拟结果表明，在吹扫氦气流动方向上，用入口流速归一化的氦气速度分布与入口流速无关，在靠近球床边缘速度变化较大，在球床中部速度变化较小；用入口流速归一化的粉末平均速度与入口流速关系不大，会随吹扫时间逐渐趋于稳定；对小粒径粉末，吹扫气体流速越大，越容易被吹出球床，对大粒径粉末，因其本身体积过大，易在球床中形成堵塞。

基于射线追踪的微波成像诊断极向位置修正

高 远, 杨州军, 张智超, 罗 蔷, 金子阳, 高 丽, 潘 垣

2024, 44(2):  170-176.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202402007

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在微波成像诊断准光学设计中对等离子体介质对成像位置的影响进行了研究。采用射线追踪方法，在J-TEXT实验参数条件下，基于冷等离子体近似的色散关系，求解了电子回旋辐射成像(ECEI)诊断的极向成像位置。对比分析了射线追踪相较于传统准光学成像的成像位置的修正效果，发现聚焦位置位于高场侧和高密度等离子体情况下，实际观测位置与准光学设计位置有较大偏差。该修正提高了诊断数据测量的可靠性，优化了微波诊断信号分析。

HL-3装置碳基第一壁螺栓预紧力分析

唐 乐, 蔡立君, 卢 勇, 袁应龙, 侯吉来, 张 龙, 刘宽程, 赖春林

2024, 44(2):  177-182.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202402008

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通过对HL-3装置第一壁基本模块进行高温下的螺栓预紧力分析，获得第一壁结构的应力分布及螺栓预紧力的变化情况，为碳基第一壁结构的现场安装提供数据支撑。

射频负离子源中性束关键参数监控报警系统研制

王 泽, 胡纯栋, 谢亚红, 刘 伟, 崔庆龙, 赵远哲, 许永建, 班 挺, 段 练

2024, 44(2):  183-190.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202402009

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为有效解决射频负离子源实验运行中关键参数监控不集中、报警不及时等问题，设计并开发了基于实验物理与工业控制系统(EPICS)架构的射频负离子源中性束关键参数监控报警系统。通过Phoebus集成开发平台实现监控报警界面的开发，基于Channel Access (CA)协议和s7nodave设备驱动模块实现EPICS与LabVIEW、PLC的跨平台集成。系统目前已在射频负离子源测试实验中正常运行，实现对中性束注入关键参数的可视化实时监控、故障报警和故障追踪，为射频负离子源中性束实验的正常运行提供了可靠的保障。

遥操作机械臂在托卡马克内运动轨迹的虚拟仿真研究

陈小璐, 李鹏远, 魏海鸿, 许婉韵, 陈 辉

2024, 44(2):  191-197.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202402010

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针对托卡马克聚变装置中遥操作的运动轨迹问题，基于MATLAB和V-REP(虚拟机器人实验平台)软件搭建了真空室维护机器人三维场景仿真平台。通过建立机械臂的D-H参数对其进行运动学分析，使用蒙特卡洛方法求出机械臂可达的工作空间。采用高次多项式插值方法规划出一条平滑连续的插值曲线，完成了CFETR真空室遥操作的运动轨迹仿真，从而得到机械臂末端仿真曲线。各关节的角速度和扭矩变化平稳，且最大值未超过机器人的设计值，这一定程度上验证了算法的正确性和轨迹规划的可行性。仿真结果表明，机械臂能够适应真空室内部的复杂环境，可以有效地规划出满足既定空间任务要求的运动轨迹，对托卡马克装置中遥操作的应用和轨迹规划有一定的积极意义。

鞘层电容对快速扫描双探针伏安曲线的影响

孙海岗, 靳琛垚, 张 炜, 江 堤, 叶孜崇

2024, 44(2):  198-205.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202402011

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建造了基于多偶极腔体热阴极放电形式搭建的500kHz不对称快速扫描双探针系统，以电容对测量结果的影响进行实验研究。对不同扫描频率下不同尺寸的快速扫描不对称朗缪尔双探针受离子饱和电流及鞘电流影响的结果进行了对比分析。这项研究对于不同扫描频率下快速扫描不对称双探针的选择应用有着参考和指导意义。

瞬态热流下钨初级裂纹对脉宽时间的依赖性研究

屈 苗, 颜 莎

2024, 44(2):  206-213.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202402012

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为了研究钨在瞬态热流下的开裂行为对热源参数时间分布的依赖关系，采用了三种脉宽t(80ns、1ms、5ms)的瞬态热流，在不同能量密度E不同脉冲次数下辐照纯钨样品，在钨表面观察到初级和次级两种裂纹。初级裂纹呈现枝状和网状两种形态。通过分析初级裂纹特征量发现，不同脉宽的热脉冲导致的表面温升相近时，脉宽越短而初级裂纹密度越大。考虑钨的韧脆转变特性，建立了基于理想弹塑性力学模型的热力学有限元计算模型，用该模型计算了钨在三种脉宽的热脉冲辐照下表层温度与应力的分布及演化。分析发现脉宽变化引起的应变率量级差异，将反映到材料的力学性能上，使得脉宽越短而材料脆性越强，从而引起初级裂纹特征的变化。结合实验与计算结果，提出了用Et ^‒3/2衡量在脉宽百ns量级到ms量级的热脉冲辐照下初级裂纹网密度的相对大小。

等离子体物理

HL-2A托卡马克比压阿尔芬本征模的实验观测与模拟研究

尹 刚, 包 健, 陈 伟

2024, 44(2):  214-221.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202402013

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基于HL-2A装置上比压诱导的阿尔芬本征模(BAE)的实验观测结果，应用本征值程序GAM-solver，对BAE进行了模拟研究。模拟结果表明，BAE的频率大约在50~70kHz范围，且频率随环向模数的增加而增加，这些模拟结果和实验观测一致。同时，应用GAM-solver对环向模数n=3的BAE的模频率进行了预测，研究了主要等离子体参数，比如离子比压(β_i)、电子温度(T_e)以及离子温度(T_i)对BAE模频率的影响。结果表明，BAE模频率同β_i的平方根成正比；T_e和T_i的增大都会使BAE连续谱的积累点频率增大，连续谱的结构和BAE模的结构几乎不随T_e和T_i发生变化，而模频率随T_e和T_i的升高而升高，且与BAE的积累点频率一致，T_i的变化对BAE频率影响更大。

EAST等离子体边界可见光成像系统研究

陈 明, 沈 飊, Shinichiro Kado, 陈大龙, 张 恒, 郭笔豪, 黄 耀, 蔡福瑞, 肖炳甲

2024, 44(2):  222-228.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202402014

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设计了一套针对H_a波段的高精度折叠式光学系统用来观察放电过程中等离子体边界特征，该系统在全视场中实现了4mm的分辨率。基于图像局部特征和相机模型，发展了光学等离子体边界重建算法，在EAST上针对高场侧中平面处的等离子体控制点进行了算法验证，光学重建的控制点随时间的演化与磁平衡重建的结果吻合良好。

基于HL-2A可见光谱成像系统的等离子体边界识别算法研究

何梦圆, 季小全, 高金明, 孙腾飞, 梁绍勇, 王 傲

2024, 44(2):  229-235.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202402015

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基于HL-2A托卡马克等离子体可见光成像系统设计了用于等离子体边界重建的算法，具有运算速度快、对各种噪声信号具有较好的鲁棒性等优点。算法首先运用数字图像处理的基本算法处理可见图像，然后提取图像中的等离子体边界坐标并进行拟合，最后经过坐标变换得到等离子体边界的实际空间坐标，即重建的等离子体边界。将重建的等离子体边界与EFIT重建的最外闭合磁面进行对比，中平面强、弱场侧位置的误差小于8.5mm，边界总体平均误差小于11mm，在实验中的硬件设备及软件平台上识别每幅图像的平均耗时为3ms。该算法在目前的实验结果下有望用于等离子体位形识别及控制中，与EFIT在定性和定量上具有一致性，并且不受磁场影响，具有良好的稳定性和鲁棒性。

HL-3先进雪花偏滤器位形的设计与敏感性分析

李世敏, 王占辉, 王志斌, 黄 波, 罗一鸣, 吴雪科, 付彩龙, 昆仑集成模拟设计组

2024, 44(2):  236-241.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202402016

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使用EFIT程序设计了HL-3装置雪花偏滤器位形，研究了雪花位形对HL-3装置极向场(PF)线圈电流变化的敏感性。研究发现：当PF线圈电流变化达1%时，标准雪花偏滤器转变为雪花加位形或是雪花减位形；当PF线圈电流变化超过8.8%时，雪花减位形在大偏离度下能够获得平衡位形，而雪花加位形难以获得收敛结果。


基于多偶极腔体的氦灰激光诱导荧光诊断实验验证研究

江 堤, 叶孜崇(Yip Chi-Shung), 靳琛垚, 张 炜, 徐国盛, 王 亮

2024, 44(2):  242-248.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202402017

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利用多偶极腔体模拟聚变堆偏滤器附近氦中性粒子存在环境，通过激光诱导荧光诊断对于氦中性粒子的速度分布谱进行了直接测量，对测量区域的波长标定以及二极管激光器的可调谐范围的拓宽进行了研究。对该方案在聚变堆上的应用进行了评估。