KTX团队在反场箍缩自组织等离子体平衡重建的方法上取得进展

近日，等离子体物理与聚变工程系的反场箍缩课题组和先进仿星器课题组合作在KTX反场箍缩装置中的自组织等离子平衡重建方面提出了新方法。该研究成果以“Equilibrium reconstruction method for self-organized plasmas on reversed field pinches with polarimeter-interferometer”为题发表在《Plasma Science and Technology》上。论文第一作者为黄玉华硕士，通讯作者为毛文哲副教授和祝曹祥特任教授。

背景介绍

在反场箍缩（RFP）中，等离子体存在多种自组织状态。 准单螺旋态（QSH）是反场箍缩的一种高约束平衡态，在这种模式下等离子体芯部区域自发形成和仿星器相似的螺旋磁面结构。然而，由于三维结构、磁岛和混沌区域的存在，准确描述平衡结构面临较大挑战。另外，利用真实诊断数据作为约束获得复杂的磁拓扑结构是不同磁约束类型装置的共性难题。

内容简介

该工作开发了用于KTX等离子体的三维平衡重建代码KTX3DFit。它利用阶梯压强平衡代码（SPEC）计算三维平衡，并能够结合实验中的偏振干涉仪信号，重建轴对称状态（MH）、双轴螺旋（DAx）状态和单螺旋轴（SHAx）状态等多种复杂的磁面结构。本研究首次将SPEC与等离子体内部区域的磁场诊断数据相结合，用于平衡重建，并且该方法也可以推广应用于其他三维位型。

KTX3DFit 在 MRxMHD 模型基础上，以 SPEC 为核心计算程序，首次尝试将外部偏振干涉仪数据作为三维平衡磁面的约束条件，通过准牛顿算法最小化重建信号与参考信号的残差值，最终返回计算模型中的初始物理量。

KTX3DFit的具体工作流程如下。首先初始化自由度参数，使用SPEC获得等离子体平衡后，基于这些平衡状态得到干涉偏振仪信号的计算值。接下来，它将偏振干涉仪的数据作为约束条件，并最小化实际数据和计算值偏差。在这一过程中，KTX3DFit使用准牛顿算法自动计算平衡模型中的自由参数。这个循环过程允许程序反复迭代，直到达到收敛，并返回重建的磁场分布。

 原文图6：KTX3DFit 平衡重建算法流程图

该工作测试了KTX3DFit重建轴对称态、双轴准单螺旋态、单轴准单螺旋态的能力。结果如下。各通道上偏振仪的重建信号与参考信号之差均在 KTX 偏振干涉仪的信号噪声水平之内，各自组织态的磁拓扑一致性较高，并且 KTX3DFit 还能描述出磁岛等精细磁结构。此外，结果表明重建的不同自组织态各自典型的q剖面特征与提供的参考数据一致。为了拓展该算法的适用性，未来工作还会加入更多不同类型的诊断数据作为实验约束。

原文图8：KTX3DFit重建的磁拓扑与参考态的比较。（a）轴对称态，(b)DAx态，(c)SHAx态。蓝色数据为参考的自组织态。

该工作得到了国家自然科学基金、中国科学技术大学重要方向培育基金以及合肥大科学中心协同创新培育基金的资助和支持。