磁螺旋度（magnetic helicity）量化了磁场的高斯环绕数（Gauss linking number），衡量了磁力线的绞拧（writhing）和缠绕（twisting）。它在描述磁约束聚变装置和太阳等天体中三维磁场拓扑结构和演化过程具有广泛的应用，可以帮助理解三维自组织平衡、太阳耀斑活动和日冕物质抛射等现象。
近日，核科学技术学院等离子体物理与聚变工程系仿星器课题组和KTX团队研究了反场箍缩装置中磁螺旋度对等离子体自组织态的影响。研究人员基于多区域弛豫模型（Multi-Region Relaxed Magnetohydrodynamic, MRxMHD），使用仿星器阶梯压力平衡代码（Stepped Pressure Equilibrium Code, SPEC）模拟了科大一环装置（Keda Torus eXperiment, KTX）上等离子体不同的自组织态。研究发现不同的芯部磁螺旋度密度对应着不同的磁场拓扑。随着芯部螺旋度密度的逐渐增加，KTX的磁场位形逐渐从轴对称态转化为双轴螺旋态（Double Axis Helical state, DAx），再转化为单螺旋轴态（Single Helical Axis State, SHAx）。单螺旋轴态能够显著提高反场箍缩装置的等离子体约束能力，具有重要研究意义。
图1：不同自组织态的磁面形状。
该工作研究了KTX不同自组织平衡态下磁螺旋度分量的演变。伴随着旧磁通管的减小和新磁通管的增大，旧磁通管中的磁力线缠绕逐渐降低，新磁通管中磁力线的缠绕逐步增加。同时，新磁通管的磁力线绞拧远大于旧磁通管。通过理论计算，该工作预测了KTX装置进入不同自组织态所需要的等离子体电流，为后续开展实验提供了重要参考。同时，仿星器程序在反场箍缩装置中的成功应用展示了仿星器理论和模拟方法在研究不同环位形磁约束装置中的潜力。
图2：在DAx态下，随着总磁螺旋度的增加，旧磁通管（蓝色）逐渐减小，新磁通管（橙色）逐渐增大。
该研究成果以“Effects of magnetic helicity on 3D equilibria and self-organized states in KTX reversed field pinch”为题发表在核聚变领域知名期刊《Nuclear Fusion》上。论文的第一作者为中国科大博士研究生刘珂，通讯作者是毛文哲副教授和祝曹祥特任教授。该项研究得到了国家自然科学基金委的支持。
论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/ad39d9
等离子体物理与聚变工程系简介：
等离子体物理与聚变工程系（校内编号52系）成立于2020年，是中国第一个专门从事等离子体物理与聚变工程教学科研的系级单位，其前身是成立于1974年的等离子体物理教研室。52系具有应用物理和工程物理两个本科专业，招收物理学(等离子体物理)以及核科学技术(核能工程)两个培养方向的研究生。