快電子對快離子損失診斷測量的影響

金 釗 常加峰 黃 娟 吳承瑞 林士耀

1（中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230031）

2（中國科學技術大學 合肥 230026）

快電子對快離子損失診斷測量的影響

金 釗1,2常加峰1黃 娟1吳承瑞1,2林士耀1

1（中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230031）

2（中國科學技術大學 合肥 230026）

基于閃爍體原理的快離子損失探針(Fast Ion Loss Detector, FILD)，可以同時測量損失快離子的能量和pitch-angle的值，是核聚變裝置中對高能粒子診斷的重要方式。根據先進實驗超導托卡馬克(Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST)的發(fā)展需求，為了更好地對損失快離子行為進行研究，設計并安裝了快離子損失診斷，且探測到在中性束加熱條件下產生的損失快離子。同時，探測到在放電中產生的逃逸電子，以及低雜波注入時快電子產生X射線對快離子損失背景信號的影響。并且在H-mode放電時邊界擾動也對快離子損失信號產生影響，這些探測到的現象都為不斷升級損失診斷系統(tǒng)提供依據。

閃爍體，快離子損失診斷，逃逸電子

輔助加熱系統(tǒng)的不斷發(fā)展，提升了裝置的加熱效率，并為裝置提供了豐富的快離子源，同時這些產生的快離子也是等離子體中能量的主要來源，有助于實現穩(wěn)態(tài)高性能的等離子體放電。但由于第一軌道損失以及不穩(wěn)定性模式對快離子的影響，會造成快離子的損失，不僅會降低輔助加熱效率，影響燃燒等離子體性能，甚至會對裝置第一壁造成破壞。因此，對聚變裝置中快離子損失行為的研究具有重要意義。

基于閃爍體原理的快離子損失探針具有獨特的優(yōu)勢，其可以在放電過程對損失快離子的能量和pitch-angle進行同時測量。在1990年快離子損失診斷第一次被應用于美國普林斯頓托卡馬克聚變試驗反應堆(Tokamak Fusion Test Reactor, TFTR)裝置中[1]，并且在放電過程中探測到類α聚變產物的損失。在國內外研究中，已經在德國伽興馬克斯普朗克等離子體物理研究所的軸對稱偏濾器核聚變裝置(Axially Symmetric Divertor Experiment, ASDEX-upgrade)[2]、美國原子能公司 DIII-D國家核聚變裝置(DIII-D National Fusion Facility, DIII-D)[3?4]、英國的歐洲聯(lián)合環(huán)形托卡馬克(Joint European Torus,JET)[5]、韓國超導托卡馬克先進研究裝置(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research,KSTAR)[6]、日本螺旋裝置(Large Helical Device,LHD)[7]和中國核西南物理研究所的環(huán)流器二號 A(HL-2A)[8]等裝置發(fā)展了快離子損失診斷。隨著先進實驗超導托卡馬克(Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST)裝置中輔助加熱系統(tǒng)的不斷升級以及發(fā)展的需求，在EAST上設計并安裝了一套快離子損失診斷系統(tǒng)，對快離子的輸運以及損失行為進行分析和研究[9]。

1 快離子損失診斷系統(tǒng)

1.1 診斷原理

基于閃爍體原理的快離子損失診斷原理與磁譜儀類似，裝置放電過程中產生的損失快離子，在環(huán)向磁場的作用下做拉莫爾回旋運動，其中具有特定能量和pitch-angle的損失快離子，能夠被快離子損失診斷探頭結構所采集。損失的快離子經過探頭上的準直系統(tǒng)的前孔和后縫，最終打擊到探測系統(tǒng)中閃爍體屏上，并且在打擊點處激發(fā)熒光，發(fā)光點的位置可以得到快離子的回旋半徑（利用回旋半徑可以得到能量）和pitch-angle的信息。在實驗中利用電荷藕合器件(Charge Coupled Device, CCD)圖像傳感器高速相機(Phantom V2010)對閃爍體屏上的熒光圖像進行記錄，可以得到在任意幀數時損失快離子的回旋半徑以及pitch-angle的信息。

1.2 診斷系統(tǒng)的介紹

EAST是完全超導的托卡馬克實驗裝置，大半徑為1.85 m，小半徑為0.5 m。在EAST 裝置中，隨著輔助加熱系統(tǒng)的不斷升級，加熱水平的大幅度提高，除了背景熱離子外，還存在非熱平衡分布的高能離子（即快離子）。這些快離子產生的主要來源有：1) 聚變反應；2) 高能中性束的注入；3) 射頻波加熱。EAST上已經發(fā)展多種輔助加熱系統(tǒng)，主要有功率可達 12 MW 的離子回旋(Ion Cyclotron Resonance Heating, ICRH)加熱系統(tǒng)、2.45 GHz/4MW 和 4.6 GHz/6 MW 的低雜波驅動(Lower Hybrid Current Drive, LHCD)加熱系統(tǒng)，以及兩套中性束注入(Neutral Beam Injection, NBI)加熱系統(tǒng)[10]。其中中性束注入系統(tǒng)具有長脈沖運行能力，包括同向束(NBI1L、NBI1R)、反向束(NBI2L、NBI2R)兩套系統(tǒng)，每條束線功率可達4 MW、束能量在范圍50?80 keV 可控。這些輔助加熱系統(tǒng)大大提高了EAST加熱功率，有效實現了穩(wěn)態(tài)高性能的等離子體放電。另一方面，這些輔助加熱也會在裝置中產生快離子，這些快離子有助于等離子體加熱和電流驅動，但如若損失則可能對第一壁造成損害，因此對損失快離子輸運行為的研究具有十分重要的意義。在EAST上還發(fā)展了其他幾種診斷來研究快離子輸運行為，例如中性粒子分析儀(Neutral Particle Analyzers, NPA)[11]、快速離子Dα診斷(Fast-ion Dα Spectrum Diagnostic, FIDA)[12]、γ相機和中子相機。

圖1 EAST上快離子損失診斷的系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Diagram of fast ion loss detector system on EAST.

在EAST上快離子損失診斷的設計和安裝中，首先考慮到窗口位置以及采集損失快離子的需要，將快離子損失診斷系統(tǒng)安裝于J窗口中平面偏上的位置，在EAST裝置中快離子損失診斷的實物圖如圖1所示?？祀x子損失診斷系統(tǒng)主要包含4部分：探測系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、成像光路系統(tǒng)以及數據采集系統(tǒng)。其中①、②、③標注分別代表成像光路系統(tǒng)中的主光路、CCD和PMT (Photomultiplier Tube)成像光路。探測系統(tǒng)中的探頭部分是診斷中重要的部件，我們選用厚度為1 mm閃爍體以及厚度為3 mm的不銹鋼外殼的設計，可以屏蔽X射線信號，以及在探頭中間位置采用準直孔的設計，可以同時采集到同向和反向的快離子損失。探頭中選用具有450nm發(fā)射峰的ZnS閃爍體，其發(fā)光效率極高且對γ射線極不敏感。驅動系統(tǒng)選用線性和旋轉步進電機來實現探測系統(tǒng)的直線與旋轉運動，不僅可以調節(jié)探頭與等離子體的距離以防探頭過熱閃爍體失去活性，而且可以迅速改變探頭準直孔的方向，保證了在正場、反場放電條件下確保實驗數據的正常采集。診斷系統(tǒng)中利用成像光路系統(tǒng)對快離子損失信號進行放大并采集，并利用束分光器將光信號傳輸到兩套數據采集系統(tǒng)中。一方面，利用 CCD數據采集系統(tǒng)可以對閃爍體圖像進行采集，根據損失快離子運動的特點結合探測系統(tǒng)中準直孔、準直縫以及損失快離子在閃爍體上的打擊位置的幾何關系，利用程序可以初步計算出損失快離子的回旋半徑與pitch-angle的值；另一方面，利用PMT數據探測系統(tǒng)可以得到快離子損失信號隨時間的演化信息，更加全面分析在不同放電條件下?lián)p失快離子的行為。

2 實驗現象的分析

2.1 中性束加熱條件下快離子損失基本行為

在第64606次放電中，圖2顯示了等離子體放電主要參數隨時間演化的信息，從上到下分別為等離子體電流Ip=455 kA，電子密度ne=2.6×1019m3，PMT數據探測系統(tǒng)第6、7通道的信號隨時間的演化過程，以及中性束源功率。其中，中性束為反向束，左右源的源功率分別為1.35 MW、1.4 MW?？梢钥闯鲈谥行允⑷霑r，快離子損失信號有顯著增加，結合 CCD數據采集的信號分析，在左、右源注入過程中分別取5.73 s和6.20 s兩個時刻，采集到的圖像如圖3所示。圖3中邊框代表閃爍體的大小，頂端小孔表示狹縫的位置，兩個圓圈分別表示第6、7通道光纖的對應位置。從圖3中可以看出，閃爍體圖像和PMT隨時間演化的信息是一致的，因此兩套數據采集系統(tǒng)中損失快離子的變化是相一致的。同時，從閃爍體圖像信息可以計算出，在5.73 s時產生的損失快離子的回旋半徑和pitch-angle分別為27 mm和55°左右，而6.2 s時損失快離子的回旋半徑和pitch-angle分別為28 mm和65°左右。

圖2 第64606次放電各參數信號隨時間演化的信息Fig.2 Temporal evolution of the main parameters at discharge #64606.

圖3 第64606次放電在5.73 s (a)和6.20 s (b)時CCD數據采集系統(tǒng)的圖像信號Fig.3 Scintillator image captured by CCD camera at 5.73 s (a)and 6.20 s (b) for the discharge #64606.

2.2 逃逸電子和快電子對快離子損失信號的影響

第63333次放電中，在0.7 s時閃爍體的圖像呈現全屏發(fā)亮的現象，如圖4所示。圖5展示了第63333次放電各參數隨時間演化的信息，我們選取第7、20 PMT通路的快離子損失信號，發(fā)現這兩道通路損失信號的數值都很高，并且γ-X輻射強度診斷(γ-X Radiation, RA)測量的信號有較高的數值，這是由于在開始放電的時刻電流處于爬升階段，極易產生逃逸電子[13]，并且高能的逃逸電子與損失診斷中探頭外的不銹鋼外殼發(fā)生了厚靶韌致輻射產生的高能硬X射線，這些硬X射線會轟擊到快離子損失診斷探頭中，對快離子損失信號造成了影響。

圖4 第63333次放電0.7 s時閃爍體的圖像信息Fig.4 Scintillator image captured by CCD camera at 0.7 s for the discharge #63333.

圖5 第63333次放電主要參數隨時間演化的信息Fig.5 Temporal evolution of the main parameters at discharge #63333.

圖6 展示了第63436次放電中各參數隨時間演化的信息，中性束同向束左源(NBI1L)在 2.5?3.5 s時注入，源功率為2 MW。在1.5 s時注入了低雜波，其中 2.45 GHz和 4.6 GHz低雜波功率分別為0.6MW和1.4 MW，同時硬X射線測量(Hard X-ray,HX)信號[14]的幅度隨低雜波注入而升高，這是由于低雜波注入會產生快電子[15]，快電子與損失診斷中探頭外的不銹鋼外殼發(fā)生了厚靶韌致輻射，相應的韌致輻射在硬X射線(Hard X-ray Radiation, HXR)能段范圍。從第7、20通路的快離子損失信號可以看到，在低雜波注入時快離子損失的本底信號稍有增加，說明在低雜波加熱的條件下，快電子與探頭的不銹鋼外殼發(fā)生了厚靶韌致輻射產生 X射線信號，也會轟擊到損失診斷系統(tǒng)的探頭中，對快離子損失的本底信號產生影響。

圖6 第63436次放電主要參數隨時間演化的信息Fig.6 Temporal evolution of the main parameters at discharge #63436.

2.3 邊界擾動對快離子損失信號的影響

第 68972次放電是有邊界局域模(Edge Localized Modes, ELMs)的H-mode放電。該次放電在2.5?2.6 s時主要放電參數隨時間演化的信息如圖7所示，主要有Dα信號，快離子損失第6、7通道，第 13、14通道信號隨時間的演化過程信號，以及HX信號和厚靶韌致輻射產生的RA信號。在采集到損失信息的第6、7通道的信號會隨Dα信號變化，同時沒有采集到快離子損失的第13、14通道，其本底信號強度也會隨著邊界擾動變化有少量的增加。但是這種本底信號幅度要遠低于快離子損失信號，且與損失快離子的行為不一致。這也可能是 ELMs對邊界快電子影響，導致快離子損失本底信號產生相應的變化。

圖7 第68972次放電2.5?2.6 s主要參數隨時間演化的信息Fig.7 Temporal evolution of the main parameters from 2.5 s to 2.6 s for the discharge #68972.

3 結語

快離子損失診斷具有獨特的優(yōu)勢，因此可以很好地進行損失快離子運動行為的研究。EAST裝置中，在中性束注入加熱條件下，可以觀測到很明顯的快離子損失現象，并且在H模放電和低雜波加熱條件下，觀測到X射線信號會對我們的損失本底信號有相應的影響。雖然在探頭結構設計中有考慮到屏蔽X射線信號，但是由于逃逸電子以及快電子產生較強硬X射線信號，超出了探頭可以屏蔽的能力范圍，會對損失快離子信號產生一定的影響?？祀x子損失診斷系統(tǒng)后續(xù)升級的過程中，將加厚損失探頭結構不銹鋼的厚度，以及選用對X射線信號更不敏感的閃爍體材料，以達到減少對快離子損失信號影響的目的。

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The effect of fast electrons on fast ion loss detector

JIN Zhao1,2CHANG Jiafeng1HUANG Juan1WU Chengrui1,2LIN Shiyao1
1(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)
2(University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Background: A scintillator-based fast ion loss detector (FILD) can simultaneously measure the energy and pitch angle of escaped fast ions, which is a powerful method to study the behavior of fast ion feature. Purpose:Investigating the performance of the fast ion loss is very helpful for understanding plasma confinement due to the development of experimental advanced superconducting tokamak (EAST). Methods: FILD has been successfully put into operation on EAST, and the behavior of fast ion can be analyzed by charge coupled device (CCD) and photomultiplier tube (PMT) data acquisition system. Results: When the neutral beams were injected, the fast ion losses were detected. Runaway electrons and the fast electrons were observed when lower hybrid waves were injected into plasma, resulting in the effect of X-rays on the fast ion loss signal. In H-mode discharge condition, the fast ion losses signal changed with D-alpha signals. Conclusion: Fast ion loss detector system plays an important role in investigating loss ions behavior during neutral beam heating. Runaway electrons and fast electrons would affect the fast ion loss signal. At the same time, FILD will be upgraded with the probe structure and new scintillator material will be selected to minimize the impact of X-ray.

Scintillator, FILD, Runaway electrons

JIN Zhao, female, born in 1993, graduated from Changchun University of Science and Technology in 2014, master student, focusing on plasma physics

CHANG Jiafeng, E-mail: changjiaf@ipp.ac.cn

date: 2017-05-18, accepted date: 2017-06-30

TL99

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.110605

國家磁約束聚變能源研究專項(No.2014GB109004、No.2015GB110005)、國家自然科學基金(No.11575249)資助

金釗，女，1993年出生，2014年畢業(yè)于長春理工大學，現為碩士研究生，研究領域為等離子體物理

常加峰，E-mail: changjiaf@ipp.ac.cn

2017-05-18，

2017-06-30

Supported by Nation Magnetic Confinement Fusion Science Program of China (No.2014GB109004, No.2015GB110005), National Natural Science

Foundation of China (No.11575249)