39-EFT.WP.Plasma.Confinement v1.0 | 第13章 实验设计与证伪（M20-*）

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第13章 实验设计与证伪（M20-*）

I. 章节目标与结构

1. 目标：构建 Plasma Confinement 的阳性/阴性判据与功效分析，制定可复现实验协议、对照与发布门限，使 S20-/S30-/S40-/S50-/S60-/S70-/S80-/I10-/M10- 在统一计量与记录口径下闭环并可证伪。
2. 结构：测试矩阵与对照 → 判据与样本量 → 观测几何与实验设计 → 数据清洗与盲测 → 参考实验与流程 → 失败模式与排查 → 合规模板 → 跨章闭环。
3. 共享到达时两口径（等价，须显式 gamma(ell) 与 d ell，并记录 delta_form）：
   • 常量外提：T_arr = ( 1 / c_ref ) * ( ∫ n_eff d ell )
   • 一般口径：T_arr = ( ∫ ( n_eff / c_ref ) d ell )

II. 测试矩阵与对照（总览）

1. 主要端点：
   • 功率闭合：P_in = P_ref + P_rad + P_wall + ∫ P_dep dV（S50-/S80-）。
   • 拓扑一致：q(ψ)、LCFS/X/分离器与成像/磁测一致（S30-/I10-）。
   • 稳定性门：δW_min > 0、Δ' ≤ 0、{D_S,D_M}>0（S40-）。
   • 沉积一致：P_dep(r) 峰位/宽度与 {n_eff,k_∥,k_⊥} 预测一致（S50-）。
   • 输运标度：D,χ 与 D_GB/闭式表格一致（S70-）。
   • 到达时一致：两口径 T_arr 在 u(T_arr) 内一致（S50-/M10-）。
2. 对照：
   • 负对照：关闭/远离共振、参考几何/电流、零注入级。
   • 阳性对照：已知稳定/不稳定构型、已标定的 ECH/NBI 调制工况。

III. M20-PC-1 判据与样本量（Criteria & Power）

• P1 功率闭合判据：
• | P_in − P_ref − P_rad − P_wall − ∫ P_dep dV | ≤ u_power → 阳性

超门为阴性。

• P2 拓扑一致判据：由磁测/MSE 反演 q(ψ) 与 GS 解之 q(ψ) 的最大偏差 max_ψ |Δq| ≤ q_gate。
• P3 稳定性能量判据：δW_min > 0 且 Δ' ≤ 0；任一失败为阴性。
• P4 沉积一致判据：peak(P_dep) 与 {n_eff,k_∥,k_⊥} 预测的峰位偏差 ≤ r_gate；宽度 ≤ w_gate。
• P5 输运标度判据：对 log(D/χ) 与 log(D_GB)/既定标度做线性回归，R^2 ≥ R^2_gate 且残差 ≤ ε_gate。
• P6 到达时判据：
• | T_arr^{(n_over_c)} − T_arr^{(one_over_c_times_n)} | ≤ u(T_arr)
• 功效分析（均值差/斜率差示例）：
• N ≥ 2 · (( z_{1−α/2} + z_{1−β} ) · σ / |δ| )^2

建议：工程验证 1−β ≥ 0.8, α ≤ 0.05；发布级 1−β ≥ 0.9, α ≤ 0.01。

IV. 观测几何与实验设计（执行口径）

• 平衡与线圈：由 I10-/S30- 提供 psi_bc、I_coil 与 LCFS/X；若做小扰动扫描，记录 ΔI/I 与 X 点漂移。
• 波/加热：设置 ECH/ICRF/LH 的频带、极化、发射角，给出 {n_eff,k_∥,k_⊥} 与射线/全波配置；记录相干窗与 Δt_sync。
• 导引中心/输运：确定观测磁面与 V'(ψ)、度量一致性；标注截面上 ρ_*,β,ν_*。
• 壁与目标：目标角、B_t/B_p、材料与 γ_q；用于 q_t 验收与脱离判据。
• 记录：arrival{form,gamma,measure,c_ref,Tarr,u_Tarr,delta_form}、qa_gates、谱窗/带宽/采样率。

V. 数据清洗与盲测

• 预注册：冻结频网/窗宽、拟合法、判据门限、baseline_id、Znorm/T_mm/Z0_mm、binding_ref、delta_form。
• 盲测：打乱/隐藏注入级、几何配置与反馈设定标签，分析完成后揭盲。
• 清洗流程：去嵌→归一→S↔Z→同步改正→路径/到达时→功率闭合→拓扑/稳定性→沉积/输运回归。
• 硬门：check_dim=pass、功率闭合、拓扑一致、两口径 T_arr 一致。

VI. 参考实验与流程（可复现）
A. ECH 沉积扫描（验证 P1/P4/P6）

• 频率/发射角/扫频窗预注册；
• 采集 T_b(ω)、arg Z(ω) 与 P_dep(r)（反演/托莫）；
• 检验功率闭合与 P_dep 峰位/宽度、T_arr 两口径。

B. 磁等离子体拓扑扫描（验证 P2/P3）

• 小幅 I_coil 扫描与 GS 回归；
• q(ψ) 反演（磁测/MSE）对比 GS；
• 计算 δW_min、Δ'，判定稳定性门。

C. NBI 调制与输运回归（验证 P1/P5）

• NBI 方波/三角调制；
• 由热响应/密度响应反演 χ,D，回归到标度律与 D_GB；
• 功率闭合与残差门。

D. 反射计到达时（验证 P6）

• 记录 φ(ω), T_group(ω) 并改正 Δt_sync；
• 两口径 T_arr 比对；
• 与 S50- {n_eff,k_∥,k_⊥} 一致性检查。

VII. 失败模式与排查

• 功率不闭合：P_in/P_ref/P_rad/P_wall 标定或沉积反演误差 → 复核标定与传输算子。
• 拓扑不一致：坐标/网格不一致或 psi_bc 锚定错误 → 统一 I10-/S30- 网格与度量。
• 稳定性冲突：δW/Δ' 与谱特征矛盾 → 回退边界项/内层模型。
• 沉积错位：n_eff 模式选择或几何光路错误 → 更换介质近似/重建几何。
• 输运残差大：闭式表格越界或 S_k 不支撑 QL 假设 → 带限/更新闭式或改用全非线性。
• 到达时越窗：超出相干窗进行相位拟合 → 收敛到 Ω 或能量合成。

VIII. 合规模板（可直接粘贴）

• 实验协议卡（YAML）
• protocol_pc:
• prereg:
• baseline_id: "BLSN-PC-001"
• binding_ref: "GEOM-COIL-0001"
• Znorm_ohm: [50.0, 50.0]
• Tmm_Z0mm: {T_mm:"/cfg/T_mm.yaml", Z0_mm_ohm:[100,25]}
• delta_form: "n_over_c"
• criteria: ["P1","P2","P3","P4","P5","P6"]
• alpha: 0.05
• power: 0.8
• configs:
• - {id:"ECH_scan", freq_GHz:[..., ...], angle_deg:[...]}
• - {id:"coil_sweep", dI_over_I:[...]}
• - {id:"NBI_mod", pattern:"square", duty:0.5}
• windows:
• freq_GHz: [f1, f2]
• coh_window: {ω1: ω1, ω2: ω2}
• acquisition:
• fs_Hz: 1.0e6
• repeats: 5
• sync:
• dt_sync_s: 1.0e-08
• arrival:
• form: "n_over_c"
• gamma: "explicit"
• measure: "d_ell"
• c_ref: 299792458.0
• qa_gates: ["check_dim","power_closure","topology_consistency","Tarr_dual"]
• 分析骨架（伪代码）
• # 去嵌/归一 → S↔Z
• Z = map_S_to_Z(renorm(deembed(S_raw, fixture), Znorm(ω)), Znorm(ω), T_mm=Tmm, Z0_mm=Z0mm)
• assert min(Re(Z)) >= 0.0 and KK_consistency(Z)
• # 到达时与相位
• phi = unwrap(arg(Z) - ω*Δt_sync)
• Tarr1 = (1/c_ref) * trapz(n_eff(ω)*dℓ) # n_over_c
• Tarr2 = trapz((n_eff(ω)/c_ref)*dℓ) # one_over_c_times_n
• assert abs(Tarr1 - Tarr2) <= u_Tarr
• # 功率闭合与沉积
• Pdep = integrate(P_dep_grid)
• assert abs(P_in - P_ref - P_rad - P_wall - Pdep) <= u_power
• # 拓扑与稳定性
• q_inv = invert_q_from_mse_mags(data)
• assert max_abs(q_inv - q_GS) <= q_gate
• assert deltaW_min > 0 and DeltaPrime <= 0
• # 输运回归
• Dfit, Chifit = regress_transport(fluxes, gradients, metrics)
• assert R2(Dfit, D_GB) >= R2_gate and resid(Dfit) <= eps_gate
• # 输出 QA

IX. 跨章引用与闭环

• 依赖：第2章（术语与符号）、第4章（S20- 最小方程）、第5章（S30- 平衡与拓扑）、第6章（S40- 稳定性与能量原理）、第7章（S50- 波/沉积/到达时）、第8章（S60- 导引中心与新古典）、第9章（S70- 输运闭式）、第10章（S80- 边界层/壁）、第11章（I10- 实现绑定）、第12章（M10- 计量链与同化）。
• 对接：第14章（仿真栈与基准算例——将本章判据纳入回归基线）、第15章（数据与复现——等价性与审计）、第16章（设计规程与工程清单——将判据与功效纳入签核）。