托卡馬克等離子體雜質(zhì)密度的光譜法測量研究

沈永才 符 佳 呂 波,3 吳 斌 石躍江 李穎穎 王福地 崔正英

?

托卡馬克等離子體雜質(zhì)密度的光譜法測量研究

沈永才1,2符 佳2呂 波2,3吳 斌2石躍江4,5李穎穎2王福地2崔正英6

1（安慶師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院 安慶 246011）2（中國科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031）3（中國科學(xué)院合肥大科學(xué)中心 合肥 230031）4（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 合肥 230026）5（首爾大學(xué) 核工程系 韓國首爾 151-742）6（核工業(yè)西南物理研究院 成都 610041）

本文介紹了基于托卡馬克等離子體被動光譜診斷獲得雜質(zhì)密度的方法。通過被動光譜診斷測量獲得雜質(zhì)線輻射的空間多道弦積分強度分布，利用強度標(biāo)定系數(shù)轉(zhuǎn)換為絕對光亮度分布；通過測量弦與等離子體位形，將弦積分的強度分布反演變換為徑向體發(fā)射率。根據(jù)線輻射強度激發(fā)截面求出對應(yīng)電離態(tài)的離子密度，最后采用雜質(zhì)輸運程序模擬計算得出總密度分布。以東方超環(huán)(Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST)托卡馬克裝置上軟X射線-極紫外光譜(Soft X-ray and Extreme Ultraviolet Spectrometers, XEUV)診斷測量到的Mo XXIX?Mo XXXII為例，描敘了獲得Mo雜質(zhì)密度分布的過程，獲得的總誤差小于10%。

托卡馬克，被動光譜診斷，體發(fā)射率，雜質(zhì)輸運，雜質(zhì)密度

在托卡馬克等離子體中，雜質(zhì)主要來源于等離子體與第一壁的相互作用。雜質(zhì)的種類、含量以及輸運過程對等離子體的品質(zhì)有著重要的影響，例如改變等離子體的參數(shù)分布、降低約束性能、引起高約束模向低約束模的轉(zhuǎn)變、激發(fā)磁流體不穩(wěn)定性等現(xiàn)象[1]。對雜質(zhì)的產(chǎn)生及輸運行為的研究，對于控制雜質(zhì)的聚芯、提高等離子體的性能有重要的意義，而首先就需要獲得雜質(zhì)的種類和含量信息。在高溫等離子體條件下，雜質(zhì)輻射覆蓋波段非常寬廣，從硬X射線直至近紅外、遠(yuǎn)紅外波段[2?5]。被動光譜診斷主要是利用雜質(zhì)粒子的線輻射譜或連續(xù)輻射譜進(jìn)行測量，實現(xiàn)雜質(zhì)種類與含量的實時監(jiān)測。

本文描敘了基于被動光譜診斷測量雜質(zhì)密度分布的方法。由空間多道攝譜儀被動測量獲得雜質(zhì)輻射的弦積分相對強度分布，通過譜儀強度標(biāo)定系數(shù)轉(zhuǎn)換得到絕對光亮度分布，基于測量弦的空間分布及等離子體位形，進(jìn)一步反演變換獲得雜質(zhì)輻射的局部體發(fā)射率。獲得體發(fā)射系數(shù)后，就可以根據(jù)相關(guān)原子數(shù)據(jù)庫求得雜質(zhì)電離態(tài)的離子密度。大部分情況下，我們只能觀測到該雜質(zhì)的單個或兩三個電離態(tài)的分布剖面。借助雜質(zhì)輸運模擬程序模擬觀測到的電離態(tài)密度分布剖面，可以獲得該雜質(zhì)所有電離態(tài)的分布剖面，最終獲得該雜質(zhì)在等離子體中的相對含量。本文以東方超環(huán)(Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST)托卡馬克裝置上軟X射線及極紫外光譜(Soft X-ray and Extreme Ultraviolet Spectrometers, XEUV)診斷測量到的Mo XXX（波長為12.242 nm）、Mo XXXI（波長為11.5988 nm）和Mo XXXII（波長為12.7868 nm）為例，計算獲得了Mo雜質(zhì)的密度分布。

1 光譜法測量雜質(zhì)密度

1.1 雜質(zhì)線輻射光譜的弦積分測量

依據(jù)等離子體放電參數(shù)的不同，雜質(zhì)輻射的主要波段也不相同。在邊界等離子體區(qū)域，等離子體的溫度密度較低，雜質(zhì)電離態(tài)也較低，輻射波段主要集中在真空紫外和可見光波段。常見的雜質(zhì)電離態(tài)為CII-III、O I-O V、Fe I、Mo I、W I等[6]，對應(yīng)的光譜診斷系統(tǒng)有可見及近紫外轉(zhuǎn)鏡掃描系統(tǒng)、光學(xué)多道分析儀等。芯部等離子體溫度密度較高，在1keV量級，雜質(zhì)線輻射主要集中在軟X射線及極紫外波段。該波段涵蓋了許多雜質(zhì)高電離態(tài)的輻射共振線，低雜質(zhì)如C、O、B的類氫、類氦線，高雜質(zhì)如Fe、Cr、Ni、Cu、Mo的類鋰、類氖線。對應(yīng)的光譜診斷系統(tǒng)為軟X射線-極紫外光譜診斷(Soft X-ray and Extreme Ultraviolet Spectrometers, XEUV)。

要獲得雜質(zhì)的含量，必須對相應(yīng)的光譜診斷進(jìn)行強度標(biāo)定。在可見光波段，可以采用絕對標(biāo)定過的積分球作為標(biāo)準(zhǔn)光源對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，由于不涉及真空部件，標(biāo)定相對比較簡單。對于真空紫外和極紫外光譜儀，由于光源稀缺，強度標(biāo)定工作比較困難。目前主要的標(biāo)定方法有同步輻射光源標(biāo)定[7]、線輻射分支比法[8]。軔致輻射譜法[9?10]是近年來發(fā)展起來的適用于托卡馬克裝置的原位標(biāo)定法，通過譜儀直接測量的軔致輻射強度與可見光軔致輻射診斷獲得的結(jié)果外推至真空紫外波段，得出譜儀的強度標(biāo)定系數(shù)。該方法既克服了同步輻射譜法需要來回移動光譜儀的不便，又克服了分支比法雜質(zhì)譜線對數(shù)目少、強度弱的缺點，可以實現(xiàn)更精確的原位標(biāo)定。

軔致輻射是指在電子和離子碰撞過程中，電子在庫倫場中加速或減速時產(chǎn)生的輻射，其輻射功率的計算公式為[10]：

式中：e是等離子體電子密度，cm?3；e是等離子體電子溫度，eV；eff是有效電荷數(shù)；ff是崗特因子；是相關(guān)位置的波長，nm。電子密度和電子溫度可以有湯姆遜散射診斷[11]獲得，而有效電荷數(shù)可以由可見軔致輻射測量[12]得到。將式(1)沿觀測弦積分，即可得到弦積分的輻射功率bre。軔致輻射是連續(xù)譜，在選定光譜波段做強度標(biāo)定時就需要避開線輻射譜線存在的區(qū)域。通過對比軔致輻射光子數(shù)和電荷耦合元件(Charge-coupled Device, CCD)觀察到在相應(yīng)波段的軔致輻射計數(shù)，就可以獲得標(biāo)定系數(shù)。圖1為EAST上EUV光譜儀采用軔致輻射譜法所獲得的標(biāo)定系數(shù)跟波長的關(guān)系曲線。

圖1 EAST裝置EUV所選波段中心波長強度標(biāo)定結(jié)果 Fig.1 Sensitivity calibration coefficients as a function of wavelength of EUV system on EAST.

等離子體診斷中的被動光譜測量均為弦積分測量，在完成強度標(biāo)定之后，將線輻射譜線剖面通過絕對標(biāo)定系數(shù)轉(zhuǎn)換即獲得譜線的絕對光亮度分布。

1.2 反演變換獲得體發(fā)射率

由于譜線的絕對光亮度是基于光譜診斷測量的弦積分分布，需要對其進(jìn)行反演，才能獲得雜質(zhì)在空間磁面點的局部信息。國際上比較常用的反演方法是阿貝爾反演[13]。由光譜儀觀測到的弦積分光亮度和局部體發(fā)射率的關(guān)系為[13]：

式中：為弦積分測量的光亮度；為局部體發(fā)射系數(shù)，這里認(rèn)為在一定的磁面區(qū)域內(nèi)是定值，且只與徑向距離有關(guān)；為觀測弦道數(shù)編號。根據(jù)數(shù)學(xué)上的阿貝爾逆變換，可得：

式中：為等離子體磁面間區(qū)域編號。數(shù)值求解時，積分可以采用離散化處理，則光亮度和體發(fā)射率的關(guān)系可以寫成[14]：

式中：L為第條觀測弦在第個磁面區(qū)域內(nèi)的長度矩陣；為其逆矩陣。對于圓截面位形，如圖2所示，其值可以寫成：

圖2 圓截面位形阿貝爾反演示意圖 Fig.2 Abel inversion diagram of circular cross section.

對于偏濾器拉長位形，等離子體放電位形大部分情況下都不是圓位形，這里每個圓都沒有固定的半徑。因此長度矩陣L的求法與在圓位形下會有所不同。這里可以將長度矩陣劃分為強場區(qū)長度矩陣和弱場區(qū)長度矩陣。具體方法是：我們先從數(shù)據(jù)庫中讀取磁面信息，挑選出與每條觀測弦相切的磁面。然后依次找出每一條弦和其它圓相交的交點，如圖3所示。

圖3 非圓截面阿貝爾反演示意圖 Fig.3 Abel inversion diagram of non-circular cross section.

觀測弦用、+1、+2等表示，相切圓分別用、+1、+2等表示。每個交點的位置利用(,)坐標(biāo)表示，則可以用兩點間距離及距離差來表示長度矩陣。即：

1.3 雜質(zhì)電離態(tài)密度的獲得

以波長為12.242 nm的 Mo29+譜線為例，其體發(fā)射系數(shù)可以寫成[14]：

式中：代表雜質(zhì)離子或等離子體電子密度；exc()、rec()和CX() (為磁面坐標(biāo))分別是激發(fā)輻射、復(fù)合輻射以及電荷復(fù)合交換光子發(fā)射系數(shù)[12?13]。對于芯部等離子體來說，在沒有中性束注入的情況下，電荷交換復(fù)合的貢獻(xiàn)可以忽略。當(dāng)考慮雜質(zhì)電離態(tài)存在于等離子體的穩(wěn)態(tài)過程，復(fù)合輻射的貢獻(xiàn)也可以忽略[14]。通過ADAS (Atomic Data and Analysis Structure)數(shù)據(jù)庫獲得激發(fā)輻射光子發(fā)射系數(shù)，輸入雜質(zhì)電離態(tài)特定波長以及對應(yīng)位置的電子溫度和密度，即可讀取對應(yīng)輻射光子系數(shù)。這樣，雜質(zhì)離子密度可以由式(8)反推得出：

使用同樣的方法，就可以計算雜質(zhì)其它電離態(tài)離子的密度。

1.4 基于雜質(zhì)輸運計算雜質(zhì)總密度分布

一般很難直接測到一種雜質(zhì)所有電離態(tài)密度的分布，大部分情況下，單次只能測到該雜質(zhì)的一條或幾條電離態(tài)剖面分布。這時可以借助雜質(zhì)輸運模擬運算得出該雜質(zhì)所有電離態(tài)的分布。雜質(zhì)輸運方程為[15?16]：

式中：是雜質(zhì)擴散速度；是雜質(zhì)對流速度，其數(shù)值的正負(fù)分別表示向外和向內(nèi)的對流。雜質(zhì)離子密度凈增益為：

式中：S、和C分別是電離態(tài)為的雜質(zhì)離子電離系數(shù)、復(fù)合系數(shù)（輻射復(fù)合和雙電子復(fù)合）和電荷復(fù)合交換系數(shù)。

輸運方程式(10)中，對于同一雜質(zhì)不同離子電離態(tài)的求解通常需要運用數(shù)值方法進(jìn)行，一般都采用數(shù)值模擬代碼來完成計算。目前國際上常用的幾個雜質(zhì)輸運代碼有STRAHL (Stand-alone Impurity Transport Code)、MIST (Multi-Ionic Species Transport)、ZIMPUR (High-Z Impurity Code)、TOTAL (Toroidal Transport Analysis Linkage)、SANCO (Stand-Alone Non-Corona)[18]等。這些程序運行時需要提供一些基本參數(shù)，包括基本參數(shù)（即電子密度剖面和電子溫度剖面）、等離子體幾何位形、預(yù)設(shè)擴散對流系數(shù)、原子數(shù)據(jù)（雜質(zhì)電離系數(shù)、復(fù)合系數(shù)、光子輻射躍遷系數(shù)等），這些原子數(shù)據(jù)主要通過查找ADAS數(shù)據(jù)庫來獲得。對于電荷復(fù)合交換過程，還需要提供中性粒子密度。通過輸入雜質(zhì)輸運系數(shù)，對輸出雜質(zhì)剖面結(jié)果和實驗測量的幾個相鄰雜質(zhì)電離態(tài)剖面進(jìn)行對比，通過最優(yōu)化方法找出適當(dāng)?shù)臄U散系數(shù)和對流系數(shù)，并得出所有雜質(zhì)所有電離態(tài)的密度分布。

2 雜質(zhì)密度測量實例

EAST裝置是世界上第一個具有非圓截面的全超導(dǎo)托卡馬克，具有穩(wěn)態(tài)運行的能力，可以開展長脈沖運行和穩(wěn)態(tài)高約束模式（H-模）研究。2012年的EAST實驗中，第一壁為金屬鉬材料，偏濾器用的是石墨，而真空室和射頻波發(fā)射天線中使用了大量的不銹鋼等金屬材料。EAST的實驗觀測中，最常見的雜質(zhì)是C、O、Li[4]；金屬雜質(zhì)有Mo、Fe、Cr、Ni、Cu[18]。經(jīng)過幾年的持續(xù)發(fā)展，EAST裝置上已成功和正在發(fā)展的診斷系統(tǒng)超過30多項。對于雜質(zhì)密度測量，主要有XEUV光譜儀、二維彎晶譜 儀[19?20]、邊界被動光譜診斷(Edge Rotation Diagnostics, ERD)、多道線輻射陣列測量、單道多條線輻射監(jiān)測等幾套常規(guī)診斷。對于芯部的Mo雜質(zhì)線輻射測量，主要使用XEUV光譜儀。

我們用的譜線是波長為12.242 nm的Mo XXX (3s3p22D3/2→3s23p 2P1/2)、波長為 11.598 8 nm的Mo XXXI (3s3d 3D2→3s3p 3P2)和波長為12.7868nm的Mo XXXII (2p63p 2P3/2→2p63s 2S1/2)。H-模放電中測得的弦積分線輻射分布如圖4所示，經(jīng)過強度標(biāo)定轉(zhuǎn)換獲得光亮度分布，之后采用非圓截面阿貝爾反演方法對鉬雜質(zhì)譜線亮度進(jìn)行阿貝爾反演處理，即可反演獲得鉬雜質(zhì)線輻射譜線的強度分布（即體發(fā)射系數(shù)），如圖5(a)所示。得到體發(fā)射系數(shù)之后，可根據(jù)式(9)計算Mo29+（Mo30+和Mo31+類同）離子的密度，用到的電子溫度和密度剖面來源于湯姆遜散射診斷[11]，計算結(jié)果如圖5(b)所示。

圖4 EAST裝置H-模放電的鉬雜質(zhì)線輻射剖面 Fig.4 Intensity profiles of molybdenum ions during H-mode on EAST.

圖5 EAST裝置H-模放電的鉬雜質(zhì)體發(fā)射率(a)和離子密度(b)剖面 Fig.5 Emissivity (a) and density (b) profiles of molybdenum ions during H-mode on EAST.

得到Mo29+、Mo30+以及Mo31+的密度之后，就可以結(jié)合雜質(zhì)輸運程序?qū)︺f的輸運系數(shù)進(jìn)行模擬計算進(jìn)而得到鉬雜質(zhì)的總密度。式(10)提到的輸運方程，穩(wěn)態(tài)情況下，獲得三個雜質(zhì)相鄰三個電離態(tài)的密度剖面，即可對該雜質(zhì)的輸運系數(shù)進(jìn)行模擬。將磁面信息、電子密度和溫度信息生成相關(guān)的幾何及等離子體參數(shù)文件輸運程序代碼，提供鉬雜質(zhì)的相關(guān)原子數(shù)據(jù)信息，然后通過輸入擴散系數(shù)和對流系數(shù)即可進(jìn)行模擬計算。對于雜質(zhì)離子的密度剖面，其峰值位置和輪廓對雜質(zhì)離子輸運系數(shù)比較敏感，且主要由雜質(zhì)粒子輸運系數(shù)決定。通過不斷變化和，即可改變模擬的鉬雜質(zhì)粒子剖面形狀，模擬最終得到的密度剖面和實驗剖面區(qū)域一致。同時得到芯部主要電離態(tài)的密度剖面和鉬雜質(zhì)總密度剖面分布，如圖6所示，剖面呈現(xiàn)一定的峰化趨勢，鉬的芯部總雜質(zhì)密度比電子密度低5個量級。

該計算過程的誤差主要來源于電子溫度測量、電子密度測量帶來的不確定性，而由XEUV譜儀測量的雜質(zhì)剖面誤差可以忽略不計。經(jīng)測算，總誤差小于10%。

圖6 EAST裝置H-模放電的芯部鉬雜質(zhì)密度剖面 Fig.6 Total density profiles of molybdenum during H-mode on EAST.

3 結(jié)語

本文主要介紹基于被動光譜診斷測量雜質(zhì)密度分布方法。被動光譜診斷測量獲得雜質(zhì)線輻射的弦積分相對強度分布，通過光譜診斷強度標(biāo)定系數(shù)轉(zhuǎn)換得到絕對光亮度分布，進(jìn)一步通過反演變換即可得到雜質(zhì)譜線局部體發(fā)射率。根據(jù)體發(fā)射率和雜質(zhì)離子密度關(guān)系，通過查找相關(guān)原子數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)可以求得雜質(zhì)電離態(tài)的離子密度。根據(jù)測量的一條或幾條電離態(tài)剖面分布，借助于雜質(zhì)輸運模擬運算得出該雜質(zhì)所有電離態(tài)的分布。最后，給出了測量雜質(zhì)密度分布方法實例，基于EAST裝置托卡馬克上軟X射線及極紫外光譜診斷測量到的Mo XXIX?Mo XXXII獲得Mo雜質(zhì)的密度分布。雜質(zhì)密度測量是進(jìn)行雜質(zhì)輻射計算和雜質(zhì)輸運研究的前提，對托卡馬克等離子體物理研究起著重要的作用。

1 Isler R C. Impurities in tokamak[J]. Nuclear Fusion, 1984, 24(12): 1599?1678. DOI: 10.1088/0029-5515/24/ 12/008

2 Shen Y C, Du X W, Zhang W,. Space-resolved extreme ultraviolet spectrometer system for impurity behavior research on experimental advanced superconducting tokamak[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, 2013, 700(1): 86?90. DOI: 10.1016/j.nima.2012.10.070

3 Shen Y C, Lu B, Du X W,. Spatially-resolved flat-field soft X-ray spectrometer on Experimental Advanced Superconducting Tokamak[J]. Fusion Engineering and Design, 2013, 88(11): 3072?3077. DOI: 10.1016/j.fusengdes.2013.08.003

4 Shen Y C, Lyu B, Du X W,. Impurity emission behavior in the soft X-ray and extreme ultraviolet range on EAST[J]. Plasma Science and Technology, 2015, 17(3): 183?187. DOI: 10.1088/1009-0630/17/3/02

5 Fu J, Li Y Y, Shi Y J,. Spectroscopic measurements of impurity spectra on the EAST tokamak[J]. Plasma Science and Technology, 2012, 14(12): 1048?1053

6 周倩. HT-7托卡馬克等離子體基本雜質(zhì)行為及雜質(zhì)粒子輸運分析[D]. 合肥: 中國科學(xué)院等離子體物理研究所, 2008
ZHOU Qian. The basic behaviors of plasma impurities and the particle transport of plasma impurities on the HT-7 tokamak[D]. Hefei: Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, 2008

7 Mcpherson A, Rouze N, Westerveld W B,. Calibration of a VUV spectrometer detector system using synchrotron radiation[J]. Applied Optics, 1986, 25(2): 298?310. DOI: 10.1364/AO.25.000298

8 Sato K, Otsuka M, Mimura M. Intensity calibration of a VUV system by branching line pairs of low ionized light-atoms[J]. Applied Optics, 1984, 23(19): 3336?3340. DOI: 10.1364/AO.23.003336

9 崔正英, 高壓東, 傅炳忠, 等. HL-2A 真空紫外光譜空間分布測量及絕對標(biāo)定[J]. 核聚變與等離子物理, 2011, 31(1): 1?6
CUI Zhengying, GAO Yadong, FU Bingzhong,. Radial profile measurement and absolutely calibration of VUV spectroscopy in HL-2A tokamak[J]. Nuclear Fusion and Plasma Physics, 2011, 31(1): 1?6

10 張洪明, 沈永才, 符佳, 等. EAST軟X射線光譜儀絕對強度標(biāo)定[J]. 核聚變與等離子體物理, 2013, 33(4): 312?319
ZHANG Hongming, SHEN Yongcai, FU Jia,.Absolute intensity calibration of soft X-ray spectrometer on EAST[J]. Nuclear Fusion and Plasma Physics, 2013, 33(4): 312?319

11 Shao C Q, Zhao J Y, Zang Q,. Analysis and performance of the Thomson scattering diagnostic on HT-7 tokamak based on I-EMCCD[J]. Plasma Science and Technology, 2014, 16(8): 721?725. DOI: /10.1088/ 1009-0630/16/8/01

12 Chen Y J, Wu Z W, Liu X J,. Investigation ofeffand impurity behavior in lithium coating experiments with full metallic first wall in HT-7 tokamak[J]. Plasma Physics and Controlled Fusion, 2015, 57: 025012. DOI: 10.1088/0741-3335/57/2/025012

13 Shi Y J, Lee S G, Hill K W,. Inversion technique to obtain local rotation velocity and ion temperature from line-integrated measurements for elongated tokamak plasma[J]. Review of Scientific Instruments, 2012, 83: 10D717. DOI: 10.1063/1.4733732

14 Chowdhuri M B, Ghosh J, Banerjee S,. Investigation of oxygen impurity transport using the O4+visible spectral line in the Aditya tokamak[J]. Nuclear Fusion, 2013, 53: 023006. DOI: 10.1088/0029-5515/53/2/023006

15 Summers H P. The ADAS user manual version 2.6[EB/OL]. http://adas.phys.strath.ac.uk, 2004

16 Dux R. Technical Report No 10/30[R]. Germany: IPP Garching, 2006

17 Cui Z Y, Morita S, Zhou H Y,. Enhancement of edge impurity transport with ECRH in the HL-2A tokamak[J]. Nuclear Fusion, 2013, 53: 093001. DOI: 10.1088/ 0029-5515/53/9/093001

18 許平. 利用軟X射線能譜診斷研究HT-7和EAST等離子體中的中、高Z雜質(zhì)行為[D]. 合肥: 中國科學(xué)院等離子體物理研究所, 2010
XU Ping. Study of medium and high-Z impurity behavior in HT-7 and EAST using soft X-ray PHA diagnostic[D]. Hefei: Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, 2010

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

20 陳俊, 呂波, 王福地, 等. 托卡馬克彎晶譜儀雙晶體結(jié)構(gòu)應(yīng)用的初步研究[J]. 核技術(shù), 2015, 38(11): 110403. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.110403
CHEN Jun, LYU Bo, WANG Fudi,.Preliminary study on double-crystal for X-ray curved-crystal spectrometer on EAST[J]. Nuclear Techniques, 2015, 38(11): 110403. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38. 110403

國家磁約束核聚變發(fā)展研究專項(No.2013GB112004、No.2015GB103002)、國家自然科學(xué)基金(No.11275231、No.11405212)、合肥物質(zhì)科學(xué)技術(shù)中心方向項目培育基金(No.2014FXCX003)、中國科學(xué)院合肥大科學(xué)中心“高端用戶培育基金”項目(No.2015HSC-UP007)、安慶師范學(xué)院博士啟動專項基金項目(安慶師范學(xué)院[044-140001000024])資助

Supported by National Magnetic Confinement Fusion Science Program of China (No.2013GB112004, No.2015GB103002), National Natural Science Foundation of China (No.11275231, No.11405212), Innovative Program of Development Foundation of Hefei Center for Physical Science and Technology (No.2014FXCX003), Hefei Science Center CAS Users with Potential Project (No.2015HSC-UP007), Doctoral Research Program of Anqing Normal College (Anqing Normal College [044-140001000024])

Measuring tokamak plasma impurity density by spectroscopic method

SHEN Yongcai1,2FU Jia2LYU Bo2,3WU Bin2SHI Yuejiang4,5LI Yingying2WANG Fudi2CUI Zhengying6

1(School of Physics and Electrical Engineering of Anqing Normal College, Anqing 246011, China)2(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)3(Hefei Science Center, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)4(School of Nuclear Science and Technology, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)5(Department of Nuclear Engineering, Seoul National University, Seoul 151-742, Korea)6(Southwestern Institute of Physics, Chengdu 610041, China)

Background: Impurity density measurement is very important in tokamak plasma, especially for impurity behavior and transport study. Purpose: This study aims to obtain the impurity density of tokamak plasma by using passive spectroscopy diagnostics. Methods: Line emissions of impurity are measured by passive spectroscopy diagnostics, and the chord-integrated brightness profiles are obtained by multiplying the sensitivity calibration coefficients. The radial emissivity profiles corresponding to a certain number of considered magnetic surfaces can be obtained by using the version technique. Then the density profiles of impurity ions can be acquired according to the relationship of emissivity profiles and density profiles of impurity ions. And the total impurity density distribution can be calculated by the simulation of impurity transport code. Results: Experimental results on obtaining of total molybdenum density on experimental advanced superconducting tokamak (EAST) by soft X-ray and extreme ultraviolet spectrometers (XEUV) show the total measureing error is less than 10%. Conclusion: Impurity density can be measured by using spectroscopic method, combining spectroscopy diagnostics and impurity transport code.

Tokamak plasma, Passive spectroscopy diagnostics, Emissivity, Impurity transport, Impurity density

SHEN Yongcai, male, born in 1987, graduated from University of Chinese Academy of Sciences with a doctor’s degree in 2014, focusing on plasma physics

FU Jia, E-mail: fujia@ipp.ac.cn

TL65.1

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.020603

沈永才，男，1987年出生，2014年于中國科學(xué)院大學(xué)獲博士學(xué)位，研究領(lǐng)域為等離子體物理

符佳，E-mail: fujia@ipp.ac.cn

2015-12-22，

2016-01-11