托卡馬克裝置雜質(zhì)離子溫度與旋轉(zhuǎn)速度的測(cè)量

薛雷

摘要：對(duì)托卡馬克中等離子體放電時(shí)的一些物理參數(shù)如離子溫度，旋轉(zhuǎn)速度，離子密度等的測(cè)量有助于建立全面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，以便更好地控制等離子體及核對(duì)一些主要等離子體數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用電荷交換復(fù)合光譜診斷系統(tǒng)可對(duì)HL?2A托卡馬克裝置中的碳雜質(zhì)的電荷交換復(fù)合光譜進(jìn)行采集，用光譜采集系統(tǒng)將HL?2A托卡馬克中的光譜信息通過光纖傳遞到光柵光譜儀，通過CCD將數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī)并進(jìn)行采集。用Matlab對(duì)得到的復(fù)合電荷交換光譜中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，進(jìn)一步得到離子溫度和旋轉(zhuǎn)速度的空間分布。從分布上可以看出離子的溫度與旋轉(zhuǎn)速度的最大值并非出現(xiàn)在HL?2A托卡馬克裝置的中心位置，而是出現(xiàn)在中心位置偏外邊緣的位置，這種分布情況可能是磁場位形所致。

關(guān)鍵詞：電荷交換復(fù)合光譜； 數(shù)據(jù)擬合； 離子溫度； 旋轉(zhuǎn)速度； 空間分布

中圖分類號(hào)：TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004?373X（2013）02?0116?03

聚變等離子體中的光譜應(yīng)用有一段很長且令人印象深刻的歷史。光譜是一種不可替代的工具。現(xiàn)今很多重要等離子體參數(shù)如離子溫度，旋轉(zhuǎn)，雜質(zhì)通量，電磁場等都可以通過光譜手段來切入。光譜法診斷技術(shù)作為一種“非接觸式診斷技術(shù)”，其響應(yīng)時(shí)間快，分辨率高?，F(xiàn)今很多重要等離子體參數(shù)如離子溫度，旋轉(zhuǎn)，雜質(zhì)通量，電磁場等都可以通過光譜手段來切入。電荷交換復(fù)合光譜CXRS（Charge Exchange Recombination Spectroscopy）是一個(gè)非常先進(jìn)的光譜診斷工具。當(dāng)中性束注入托卡馬克后，中性粒子的電子會(huì)轉(zhuǎn)移到完全電離的C雜質(zhì)離子上，此時(shí)復(fù)合離子處于激發(fā)態(tài)，它會(huì)以光的形式輻射出一部分能量。由于離子的熱運(yùn)動(dòng)的原因，輻射能量譜線會(huì)呈現(xiàn)出一定的多普勒展寬和頻移。利用CXRS主要有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：它使完全電離的雜質(zhì)產(chǎn)生輻射；它使得雜質(zhì)在中性束注入的地方產(chǎn)生輻射；它使得輻射可以發(fā)生在合適的波段。運(yùn)用可見光譜測(cè)量系統(tǒng)可以很好的對(duì)CXRS進(jìn)行測(cè)量，運(yùn)用Matlab對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從而進(jìn)一步得到等離子體的溫度和旋轉(zhuǎn)速度。

1 裝置基本結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理

1.1 電荷交換復(fù)合光譜診斷系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

電荷交換復(fù)合光譜診斷系統(tǒng)包括：光學(xué)采集系統(tǒng)，傳輸光纖，光柵光譜儀，ICCD，計(jì)算機(jī)控制和處理系統(tǒng)。當(dāng)高溫等離子體發(fā)生聚變反應(yīng)時(shí)，從等離子體中產(chǎn)生的光經(jīng)過光纖傳輸?shù)焦庾V儀，通過光譜儀的入射狹縫傳輸?shù)焦鈻派?，?jīng)過光柵分光形成光譜后，由ICCD將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)過計(jì)算機(jī)分析處理得到所要的光譜信息。電荷交換復(fù)合光譜（CXRS）診斷系統(tǒng)的視角范圍Observation Port是觀測(cè)窗口，當(dāng)中性束注入（NBI）后，通過該窗口采集HL?2A托卡馬克外邊緣到中心等離子體的電荷交換復(fù)合光譜信息。光學(xué)采集系統(tǒng)由一個(gè)金屬反射鏡和一些透鏡片組成。利用幾何光學(xué)原理將HL?2A托卡馬克放電時(shí)由外邊緣到中心范圍內(nèi)等離子體輻射的光通過透鏡組傳輸?shù)焦饫w中。2011年采用的中心窗口光學(xué)采集系統(tǒng)的視角范圍相對(duì)要窄一些，比例為0.38<[ra]<0.71，這使得無法采集到中心范圍內(nèi)等離子體的電荷交換復(fù)合光譜的信息。今年采用了斜窗口的光學(xué)采集系統(tǒng)的視角范圍比例為-0.27<[ra]<0.90，這可以采集到中心范圍內(nèi)等離子體的電荷交換復(fù)合光譜的信息。采集到的光通過13道光纖傳輸?shù)焦庾V儀。第1道光纖到第13道光纖采集的范圍依次對(duì)應(yīng)HL?2A托卡馬克的邊緣到中心。在光譜儀中經(jīng)過光柵的色散將各道德復(fù)色光分離成光譜。產(chǎn)生的光譜經(jīng)過ICCD處理，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

診斷系統(tǒng)中的ICCD帶有時(shí)間閘門的增強(qiáng)型影像ICCD，利用其信號(hào)增強(qiáng)功能和時(shí)間閘門控制特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)極弱信號(hào)采集、時(shí)間分辨影像捕捉等實(shí)驗(yàn)功能。安裝ICCD應(yīng)在斷電情況下，連接電源線，連接ICCD。在斷電情況下插PCI卡，連接數(shù)據(jù)線和ICCD。電源控制器一端連接PCI卡一端連接ICCD。在實(shí)驗(yàn)過程中，使用外部觸發(fā)模式，ICCD的曝光時(shí)間設(shè)為20 ms，在接收到外部觸發(fā)信號(hào)后開始采集，一共采集200幀。通過自帶的Solis軟件對(duì)ICCD進(jìn)行控制并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1.2 電荷交換復(fù)合光譜診斷原理

在高溫等離子體內(nèi)部，光譜學(xué)診斷常利用電荷數(shù)相對(duì)低的成分，稱為輕雜質(zhì)，此時(shí)由于大部分離子的電子被完全電離，以至于不會(huì)發(fā)出線輻射，這樣就不利于直接進(jìn)行光譜學(xué)診斷。利用中性束能夠克服這個(gè)障礙。光譜診斷中電荷交換復(fù)合光譜診斷如圖1所示。CXRS借助于外部注入粒子束使之與等離子體中的離子發(fā)生相互作用而產(chǎn)生光（H0+AZ+→H++A（Z?1）+*→H++A（Z?1）++hν），類氫離子產(chǎn)生于激發(fā)態(tài)，這是很有用的，因?yàn)槠湟馕吨粋€(gè)或多個(gè)光子是由原子迅速發(fā)出的，而沒必要由碰撞激發(fā)所產(chǎn)生，而且根據(jù)輻射躍遷選擇定則，角動(dòng)量差為±1，這使得高態(tài)不能直接躍遷到基態(tài)，其波長比到基態(tài)的共振線的波長要長，所以譜線容易觀測(cè)，尤其是可見光或近紫外波段。同時(shí)利用高分辨光譜儀采集光譜譜線，通過精確分析譜線的多普勒展寬和多普勒頻移，能直接或間接的測(cè)定等離子體的一些參數(shù)，如測(cè)量更高的離子溫度和接近于等離體中心的旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)利用CXRS方法測(cè)定離子溫度和旋轉(zhuǎn)速度更方便有效，因?yàn)檫@只依賴于譜線的位置和相對(duì)寬度，不依賴于強(qiáng)度，所以可以克服密度測(cè)量存在的一些困難。CXRS用于測(cè)量離子溫度，因?yàn)榘l(fā)光離子的熱運(yùn)動(dòng)引起了譜線的多普勒展寬；也可以用于測(cè)量等離子體旋轉(zhuǎn)速度，因?yàn)榈入x子體旋轉(zhuǎn)速度引起相同譜線的多普勒頻移。最后本地雜質(zhì)濃度還可以從CXRS的的譜線強(qiáng)度推斷。從得到的這些參數(shù)中理解和分析等離子體的一些特性和物理過程，為托卡馬克的運(yùn)行提供必要的理論準(zhǔn)備和依據(jù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

HL?2A裝置放電過程中的主要內(nèi)部雜質(zhì)是C雜質(zhì)，豐富的C雜質(zhì)能提供測(cè)量所需的足夠強(qiáng)度的信號(hào)，所以選CVI（n=8→n=7）529 nm電荷交換復(fù)合光譜來擬合。實(shí)驗(yàn)中用Solis采集炮號(hào)為19 591的數(shù)據(jù)，取多普勒展寬最寬的一幀即第45幀的數(shù)據(jù)來分析其空間分布。由于在ICCD中觀測(cè)到的光譜波長位置與實(shí)際光譜波長位置是相反的，所以光譜左邊的那條線是由邊緣CIII（n=4→n=3）輻射而產(chǎn)生的，其中心波長為530.46 nm；光譜右邊那條線是由芯部CVI（n=8→n=7）通過電荷交換復(fù)合而產(chǎn)生的，其中心波長為529.06 nm。毛刺主要是由于HL?2A的光譜儀分辨率有限，以及存在噪聲等原因。基線不在x軸，是因?yàn)轫g致輻射而產(chǎn)生了背景噪聲造成的。如圖2所示。將光譜中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為.asc格式輸出，用Matlab程序讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，且用幾條高斯曲線來擬合CVI譜線，并計(jì)算碳雜質(zhì)離子的溫度與環(huán)向旋轉(zhuǎn)速度。CXRS診斷系統(tǒng)觀察視線布局原理結(jié)構(gòu)圖，采集到的譜線里面主要包括裝置邊緣的被動(dòng)光譜成分和芯部的主動(dòng)光譜成分，此外還會(huì)有來自邊緣電子影響的成分和一條未知雜質(zhì)的譜線成分，這條雜質(zhì)譜線有可能是氧。第45幀的光纖擬合的CVI譜線如圖2所示。這里采用Matlab中的fliplr函數(shù)將Solis采集的光譜數(shù)據(jù)左右反轉(zhuǎn)，得到實(shí)際光譜數(shù)據(jù)信息。圖中藍(lán)色高斯曲線代表實(shí)驗(yàn)采集到的光譜曲線，綠色高斯曲線代表主動(dòng)光譜成分，青色虛線代表被動(dòng)光譜成分，青色實(shí)線代表CIII成分，黑色的高斯曲線代表ICE（電子碰撞）成分，洋紅色高斯曲線代表未知成分（可能是氧），紅色虛線是總的擬合曲線。

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