托卡馬克彎晶譜儀雙晶體結(jié)構(gòu)應(yīng)用的初步研究

陳 俊 呂 波 王福地 潘夏云 李穎穎 符 佳 尹相輝 胡睿佶馮雙園 石躍江 余 羿 葉民友

1（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 合肥 230026）2（中國科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031）3（首爾大學(xué) 核工程系 韓國首爾 151-742）

托卡馬克彎晶譜儀雙晶體結(jié)構(gòu)應(yīng)用的初步研究

陳 俊1,2呂 波2王福地2潘夏云1,2李穎穎2符 佳2尹相輝1,2胡睿佶1,2馮雙園1,2石躍江1,3余 羿1葉民友1

1（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 合肥 230026）2（中國科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031）3（首爾大學(xué) 核工程系 韓國首爾 151-742）

X射線彎晶譜儀作為托卡馬克裝置等離子體溫度和旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)診斷測量的重要手段之一，通常利用單晶體衍射分光來測量某種特定雜質(zhì)的特征譜，這也限制了彎晶譜儀所能測量的等離子體溫度范圍。為解決更高溫度等離子體測量問題，有效提高目前彎晶譜儀診斷系統(tǒng)溫度測量范圍，用雙晶體代替原有單晶體，通過選擇合適的晶體和Bragg衍射角組合，利用同一個探測器同時測量類氫和類氦的氬離子光譜，實現(xiàn)更高更寬溫度范圍測量。本文就東方超環(huán)(Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST)彎晶譜儀雙晶體應(yīng)用方面的設(shè)計和技術(shù)實現(xiàn)進(jìn)行了闡述，并首次在EAST裝置上成功實現(xiàn)了氬離子類氦和類氫譜線的測量，利用類氦線和類氫線擬合得到的氬離子溫度非常接近，驗證了雙晶體結(jié)構(gòu)的可行性。

等離子體診斷，彎晶譜儀，雙晶體，多普勒展寬

X射線彎晶譜儀主要利用等離子體中某種雜質(zhì)離子的特征譜線的多普勒展寬和頻移來實現(xiàn)等離子體溫度和旋轉(zhuǎn)速度的測量，最早在脈沖托卡馬克(Pulsator Tokamak, PLT)上實現(xiàn)[1]。早期的彎晶譜儀通常采用柱面彎曲晶體，只能單道測量，Bitter等[2]通過球面彎曲晶體的應(yīng)用，成功實現(xiàn)了單晶體下的空間剖面測量，從而大大提升了彎晶譜儀的測量能力。彎晶譜儀作為一種被動測量方法，在現(xiàn)有托卡馬克運行電子溫度范圍基礎(chǔ)上，通常測量類氦氬離子伴線單譜進(jìn)行等離子體參數(shù)測量，不依賴外部中性束注入等，特別適合射頻波加熱和長脈沖等離子體診斷測量，因此在東方超環(huán)(Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST)、高場托卡馬克(Alto Campo Toro C-mod, Alcator C-Mod)、韓國先進(jìn)研究超導(dǎo)托卡馬克(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research, KSTAR)、國家球環(huán)型實驗托卡馬克(National Spherical Torus Experiment, NSTX)等裝置上得到了廣泛使用，也是ITER裝置診斷的重要組成部分[3?7]。Alcator C-Mod裝置為了在更高溫度下測量，發(fā)展了測量類氦和類氫氦譜獨立譜儀，兩套譜儀單獨成像到探測器，能夠獨立測量等離子體溫度[6]。

EAST裝置X射線彎晶譜儀(X-ray Crystal Spectrometer, XCS)空間布局如圖1所示，通過升級探測器技術(shù)，在類氦譜測量的時間分辨率上有了很大提高，最高可達(dá)10 ms左右[8]。隨著EAST裝置的改造升級，中性束注入(Neutral Beam Injection, NBI)加熱、低雜波電流驅(qū)動(Lower Hybrid Current Drive, LHCD)、離子回旋共振加熱(Ion Cyclotron Resonance Frequency, ICRF)、電子回旋共振加熱(Electron Cyclotron Resonance Heating, ECRH)等輔助加熱功率的增加，等離子溫度將升高到幾千電子伏，原有EAST彎晶譜儀原本以類氦離子譜線作為標(biāo)識譜線，在電子溫度高于3 keV時由于芯部類氦濃度可能中空分布，影響譜儀的可靠測量。為實現(xiàn)在更高溫度條件下也能夠測量等離子體溫度，需要提高彎晶譜儀的溫度測量上限，同時保證原有的測量能力。由從冠冕平衡計算可以看出的氬的各電離態(tài)相對濃度與電子溫度關(guān)系可知，超過3keV時，類氦Ar離子相對濃度將變得很少，而類氫Ar離子相對濃度則比較大[9]，因此如果能夠擴充譜儀能力來實現(xiàn)兩種譜的測量，則能有效擴充溫度測量的區(qū)間。由于單獨彎晶譜儀造價較高，如能利用原有探測器寬度實現(xiàn)兩種譜的同時測量，就能大大提高彎

晶譜儀的利用率。基于這些考慮，我們通過探索同一譜儀上集成類氦和類氫兩塊晶體，通過選擇合適的晶體參數(shù)和衍射角度，充分利用探測器的寬度，實現(xiàn)雙譜測量，并在EAST上進(jìn)行了初步的嘗試[8]。本文首先詳述了雙晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計考慮和在EAST上的應(yīng)用，通過比較類氦和類氫譜得到的離子溫度的一致性，來驗證雙晶體的可行性。

圖1 EAST彎晶譜儀診斷系統(tǒng)布局Fig.1 Spatial distributions of XCS on EAST.

1 雙晶體結(jié)構(gòu)

在EAST典型放電溫度下(1?2 keV)，Ar離子在等離子體芯部主要以類氦電離態(tài)形式存在。隨著EAST裝置輔助加熱功率的大幅度提高，等離子體溫度也隨之上升，芯部的類氦氬離子會進(jìn)一步電離至類氫態(tài)，甚至造成中空的類氦氬濃度分布，造成測量溫度比實際低。另一方面，類氫氬離子在電子溫度在2?10 keV都存在一定的份額，因此如果能在原有譜儀增加對Ar17+離子的測量能力，則能實現(xiàn)在高功率輔助加熱條件下等離子體參數(shù)的測量，同時也能測量正常加熱功率類氦Ar離子的伴線譜，這就需要增加晶體用于類氫譜的分光。

考慮獨立彎晶譜儀的建造成本，如果能在原單晶體基礎(chǔ)上增加新晶體，又能利用原有的探測器來同時測量類氫和類氦譜，就能大大提高譜儀的利用效率。在兩種譜波長范圍確定的前提下，晶體的選擇需要考慮兩個因素：兩者的布拉格散射角相接近，這樣可以限制譜線在探測器上所占寬度，以避免探測器因?qū)挾炔蛔愣鴮?dǎo)致譜線丟失，同時兩條光譜在探測器上面盡量不要重合。經(jīng)過調(diào)研，如果類氦晶體采用石英110，晶格間距2d=0.491 30 nm選擇W和Z線作為參考波長，波長分別是λ1=0.394 94 nm和λ2=0.399 44 nm，計算得到兩個衍射角度分別為θ1=53.5010°和θ2=54.3927°，衍射角度之差Δθ1=0.891 7°；而類氫晶體采用石英102，晶格間距2d=0.456 22 nm通過計算得到兩個衍射角度分別為θ3=54.843 2°和θ4=54.958 9°，衍射角度之差僅為Δθ2=0.115 7°，在探測器平面上的譜范圍差別也小，可利用探測器寬度進(jìn)行測量。雙晶體組件如圖2所示，兩種伴線譜計算結(jié)果如表1所示。幾條參考波長衍射角平均值θave=54.43°，考慮球面晶體中心到探測器表面的距離L=Rsinθave=3 050 mm，類氦譜線在探測器表面所占寬度近似為ΔL1=LΔθ1= 47.48mm，而類氫譜線在探測器表面所占寬度近似為ΔL1=LΔθ2=6.16 mm。利用兩個完整譜線參考波長的平均衍射角度來確定譜線在探測器表面的相對位置，類氦晶體的平均衍射角θave1=53.95°，類氫晶體的平均衍射角θave2=54.90°，因而譜線相對間距ΔL=LΔθave=50.57 mm。由此可以粗略估計兩個完整譜線在探測器表面所占寬度近似為77.4 mm，而探測器探測寬度為83.8 mm，表明探測器能夠接收到完整譜線，并且兩個譜線在探測器上面的位置不會重疊。

圖2 雙晶體的簡化結(jié)構(gòu)Fig.2 Simplified structure of double-crystal.

表1 雙晶體組件參數(shù)Table 1 Parameters of the double-crystal assembly.

2 實驗結(jié)果以及分析

安裝了雙晶體的彎晶譜儀在2014年EAST實驗中投入了使用，成功同時采集到Ar的類氦和類氫譜線，驗證了雙晶體概念的可行性。

圖3顯示了在EAST一次放電實驗中測量得到的類氦和類氫氬譜。在圖3中兩套譜線成像在像素為487(x)×1891(y)探測器表面，其中色階表示記錄光子數(shù)的過少，黑線左邊是石英110晶體采集得到的類氦譜線，黑線右邊是石英102晶體采集得到的類氫譜線，兩個譜線完整成像在探測器表面，并且兩者之間有明顯界線，驗證了雙晶體結(jié)構(gòu)安排的可行性。由于球面彎晶譜儀聚焦是在一個球面上，聚焦的譜線投影到平面探測器表面就呈現(xiàn)出圖3所示的彎曲形狀譜線。圖4是將圖3縱軸從1120到1180進(jìn)行并道得到的譜線，詳細(xì)標(biāo)注了各個峰值所對應(yīng)的譜線，其中W、X、Y和Z是4條屬于Ar的類氦譜線中的強線，而Lyα1和Lyα2屬于其類氫譜線。從圖3中可以看出，類氫譜線的強度相對類氦譜線較弱，這一點從圖4具體數(shù)值也可以看出，類氦譜線的強度比類氫要高很多，約為類氫譜線強度的10倍。這是目前的等離子體溫度還不夠高導(dǎo)致的，當(dāng)溫度上升到2?3 keV時，類氫譜線強度將明顯提高。

圖3 切向譜儀探測器測量光譜原始圖Fig.3 The original spectra of tangential XCS.

圖4 測量的Ar類氦譜線和類氫譜線Fig.4 Measured spectra of He-like and H-like Ar.

圖4 所示雙晶體系統(tǒng)測量的譜線是兩個獨立系統(tǒng)，在340?380像素之間不存在光譜，并且將譜線分成兩部分，用來當(dāng)作背景噪音。圖4中每個像素對應(yīng)的波長是通過Bragg衍射角來確定的，因為類氦晶體和類氫晶體的晶格間距不同，因此它們每個像素對應(yīng)波長大小不同。所以對類氫譜線，需要對波長進(jìn)行重新標(biāo)定。在類氦譜線數(shù)據(jù)處理軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，標(biāo)定之后，采用雙高斯模型對譜線進(jìn)行擬合。圖5得到類氫譜線的Lyα1和Lyα2兩條譜線，利用多普勒展寬，在Lyα1的基礎(chǔ)上對離子溫度進(jìn)行計算。由于目前等離子體溫度相對較低，類氫譜線強度不夠，特別是在放電的初始階段。因此，從3 s左右開始對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且在處理時對時間積分較大，得到的離子溫度時間分辨率較差，這些都會隨著等離子體溫度升高逐漸得到改善。

為驗證類氫譜線的正確性，將基于類氫和類氦譜線得到的離子溫度進(jìn)行比較。在3.5 s時，4.6 GHz的低雜波開始注入，由于此頻率的低雜波主要是加熱電子，從圖6(f)可以看出，電子溫度升高，達(dá)到2keV，由氬的各電離態(tài)相對濃度與電子溫度關(guān)系可知，這時類氫離子所占份額會有所增加，因此類氫譜線強度會相應(yīng)提高。如圖6(e)所示，利用類氫譜線和類氦譜線測量的離子溫度均在0.9 keV左右，說明雙晶體應(yīng)用是可行的，并且整套雙晶體彎晶譜儀診斷系統(tǒng)能夠自洽地給出等離子體的離子溫度。

圖5 類氫譜線擬合Fig.5 Fitting of H-like spectra.

圖6 類氫和類氦晶體測量的溫度隨時間變化(a) 等離子體電流，(b) 電子密度，(c) 環(huán)電壓，(d) 低雜波驅(qū)動，(e) 離子溫度，(f) 電子溫度Fig.6 Temperature changing with time measured by H-like and He-like crystals. (a) Plasma current, (b) Electron density, (c) Loop voltage, (d) LHCD power (purple), (e) Ion temperature, (f) Electron temperature

3 結(jié)語

在EAST全超導(dǎo)托卡馬克裝置上，通過對彎晶譜儀診斷系統(tǒng)的升級改造和物理實驗，驗證了雙晶體應(yīng)用于同一套譜儀的可行性。在實驗中，同一探測器上面測量得到氬離子的類氦和類氫譜線，從兩種譜線得到的離子溫度較接近，證明雙晶體設(shè)計在托卡馬克等離子體診斷是可行的。在EAST各種輔助加熱系統(tǒng)的協(xié)同作用下，等離子體溫度將會超過之前單晶體彎晶譜儀類氦晶體測量的極限溫度，溫度和旋轉(zhuǎn)速度的準(zhǔn)確測量將受到影響。隨著類氫晶體的引入，更高溫度條件下彎晶譜儀的應(yīng)用已經(jīng)實現(xiàn)，并且通過離子溫度測量得到進(jìn)一步驗證，表明未來對于更高溫度下測量的能力。

1 Bitter M, Von Goeler S, Horton R, et al. Doppler-broadening measurements of X-ray lines for determination of the ion temperature in tokamak plasmas[J]. Physical Review Letters, 1979, 42(5): 304?307. DOI: 10.1103/PhysRevLett.42.304

2 Bitter M, Fraenkel B, Hill K W, et al. Numerical studies of the imaging properties of doubly focussing crystals and their application to ITER[J]. Review of Scientific Instruments, 1995, 66(1): 530?532. DOI: 10.1063/ 1.1146341

3 Shi Y J, Wang F D, Wan B N, et al. Imaging X-ray crystal spectrometer on EAST[J]. Plasma Physics and Controlled Fusion, 2010, 52(8): 085001?085014. DOI: 10.1088/ 0741-3335/52/8/085014

4 Lee S G, Bak J G, Bitter M, et al. Imaging X-ray crystal spectrometers for KSTAR[J]. Review of Scientific Instruments, 2003, 74(3): 1997?2000. DOI: 10.1063/ 1.1535243

5 Bitter M, Hill K W, Stratton B, et al. Spatially resolved spectra from a new X-ray imaging crystal spectrometer for measurements of ion and electron temperature profiles (invited)[J]. Review of Scientific Instruments, 2004, 75(10): 3660?3665. DOI: 10.1063/1.1791747

6 Hill K W, Bitter M L, Scott S D, et al. A spatially resolving X-ray crystal spectrometer for measurement of ion-temperature and rotation-velocity profiles on the Alcator C-Mod tokamak[J]. Review of Scientific Instruments, 2008, 79(10): 10E320. DOI: 10.1063/ 1.2969080

7 Hill K W, Bitter M, Delgado-Aparicio L, et al. Development of a spatially resolving X-ray crystal spectrometer for measurement of ion-temperature (T(i)) and rotation-velocity (v) profiles in ITER[J]. Review of Scientific Instruments, 2010, 81(10): 10E322. DOI: 10.1063/1.3492414

8 Lu B, Wang F, Shi Y, et al. Upgrades of the high resolution imaging X-ray crystal spectrometers on experimental advanced superconducting tokamak[J]. Review of Scientific Instruments, 2012, 83(10): 10E130. DOI: 10.1063/1.4738652

9 Marchuk O. Modeling of He-like spectra measured at the TMarchuk, modeling of He-like spectra measured at the tokamak TEXTOR and TORE SUPRAEXTOR and SUPRA[D]. Jülich: Ruhr-Universit?t Bochum, 2004

CLC TL65.1

Preliminary study on double-crystal for X-ray curved-crystal spectrometer on EAST

CHEN Jun1,2LYU Bo2WANG Fudi2PAN Xiayun1,2LI Yingying2FU Jia2YIN Xianghui1,2
HU Ruiji1,2FENG Shuangyuan1,2SHI Yuejiang1,3YU Yi1YE Minyou1

1(School of Nuclear Science and Technology, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China) 2(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China) 3(Department of Nuclear Engineering, Seoul National University, Seoul 151-742, Korea)

Background: X-ray curved-crystal spectrometer, as one of important diagnostic tool for measuring the plasma temperature and rotation velocity of the tokamak, is usually based on the satellite spectra of some special kind of impurity by single-crystal diffraction, which limits the temperature range to be measured simultaneously. Purpose: This study aims to effectively broaden the temperature range of the spectrometers, an assembly of double-crystal was designed to replace the previous of single-crystal. Methods: The two crystals of the assembly having the similar Bragg angles were installed on the same pedestal, which could make the spectra recorded on the same detector. Consideration and technology route of the double-crystal were described and analyzed together with the experimental tests on the Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST). Results: Experimental results on the double-crystal X-ray spectrometer showed that the He-like and H-like Ar spectra were obtained for the first time, and the ion Ar temperatures calculated by two kinds of spectra were in good consistence within a certain error range. Conclusion: The application of double-crystal for X-ray curved-crystal spectrometers on EAST proposed in this paper is applicable and feasible.

Plasma diagnostic, Crystal spectrometers, Double crystal, Doppler broadening

TL65.1

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.110403

國家國家磁約束核聚變發(fā)展研究專項(No.2012GB101001、No.2013GB112004、No.2015GB101001)、國家自然科學(xué)基金(No.11175208、No.11275233、

No.11405212)、中日韓A3前瞻計劃項目(No.11261140328)、合肥物質(zhì)科學(xué)技術(shù)中心方向項目培育基金(No.2014FXCX003)資助

陳俊，男，1991年出生，2014年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，研究領(lǐng)域為等離子體物理

王福地，E-mail: fdwang@ipp.ac.cn

2015-08-28，

2015-09-29