高溫等離子體中高Z金屬雜質(zhì)的觀測(cè)及其行為研究

沈永才，何 梁

（1.合肥師范學(xué)院 物理與材料工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.中國(guó)科學(xué)院 等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031）

高溫等離子體中的雜質(zhì)主要來(lái)源于等離子體與壁材料的相互作用。雜質(zhì)的存在會(huì)稀釋主等離子體燃料、污染主等離子體，過(guò)高的雜質(zhì)會(huì)影響等離子體品質(zhì)、電流分布以及密度控制等[1-3]。高Z金屬雜質(zhì)（如鎢、鉬等）由于其良好的材料性能（高熔點(diǎn)以及低濺射率等優(yōu)點(diǎn)），已成為高溫核聚變裝置壁的首選材料，并且被ITER和CFETR所采用。然而對(duì)于高Z雜質(zhì)，在等離子體中存在較強(qiáng)的輻射損耗，其韌致輻射功率隨溫度和Z2的增加而增加，線(xiàn)輻射也很強(qiáng)，而即使在聚變溫度下，高Z雜質(zhì)也很難完全電離[4]。在國(guó)內(nèi)外大型聚變裝置上普遍發(fā)現(xiàn)，在高約束模式（H模）或內(nèi)部輸運(yùn)壘（ITB）等約束改善模式下，由于新經(jīng)典效應(yīng)，高Z雜質(zhì)極易在芯部聚集，制約芯部等離子體約束性能的提升，嚴(yán)重時(shí)將中止放電，對(duì)長(zhǎng)脈沖高約束穩(wěn)態(tài)運(yùn)行帶來(lái)極大挑戰(zhàn)[3-5]。因此，對(duì)高溫等離子體芯部的金屬雜質(zhì)含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并開(kāi)展相應(yīng)的雜質(zhì)行為研究，探索有效屏蔽雜質(zhì)或者降低聚集在芯部的雜質(zhì)濃度方法對(duì)于托卡馬克物理研究具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外中大型主流聚變裝置的芯部電子溫度都已突破keV量級(jí)。在該溫度下，大量的雜質(zhì)輻射存在于軟X射線(xiàn)和極紫外波段。在線(xiàn)輻射觀測(cè)方面，相比于可見(jiàn)光，軟X射線(xiàn)和極紫外波段具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能觀測(cè)到如低Z雜質(zhì)碳、氧等的類(lèi)氫、類(lèi)氦線(xiàn)，以及高Z雜質(zhì)如鐵、銅和鉬等的類(lèi)鋰、類(lèi)氖線(xiàn)。近年的實(shí)驗(yàn)中，EAST托卡馬克裝置采用金屬鉬、鎢作為第一壁和偏濾器材料，而真空室和射頻波天線(xiàn)使用的不銹鋼材料含有鐵、鎘、銅、鎳等金屬，這些都為EAST等離子體提供了豐富的金屬雜質(zhì)源。借助于軟X射線(xiàn)及極紫外光譜診斷[6-10]，觀測(cè)到豐富的金屬雜質(zhì)線(xiàn)輻射譜線(xiàn)。

基于雜質(zhì)光譜診斷，國(guó)內(nèi)外在雜質(zhì)聚芯及抑制方面開(kāi)展了大量研究。比較有代表性的結(jié)果是采用近軸的射頻波加熱，雜質(zhì)或許可以被有效地從芯部排出。該現(xiàn)象在FTU、ASDEX、C-Mode、K-STAR、JT-60U[11-15]等裝置上都曾被觀測(cè)到，如在C-Mode實(shí)驗(yàn)中，采用近軸的離子回旋共振加熱，芯部電子密度和雜質(zhì)峰化趨勢(shì)得到抑制。

本文首先介紹高溫等離子體芯部雜質(zhì)測(cè)量診斷（以EAST上的軟X射線(xiàn)和極紫外光譜診斷為例），并基于該診斷，研究高溫等離子體中的鎢、銅、鐵等金屬雜質(zhì)線(xiàn)輻射譜線(xiàn)及其剖面分布。然后，研究高Z金屬雜質(zhì)在不同放電條件下的行為，采用不同控制手段來(lái)實(shí)現(xiàn)芯部金屬雜質(zhì)含量抑制，如采用近軸電子回旋波加熱和撒鋰粉等方式在一定程度上緩解高Z雜質(zhì)聚芯。

1 軟X射線(xiàn)和極紫外光譜診斷

軟X射線(xiàn)和極紫外光譜對(duì)應(yīng)的波段通常是指1 nm～50 nm，鑒于該波段光譜診斷在雜質(zhì)測(cè)量方面的重要作用，國(guó)際上主流磁約束核聚變裝置都將其視為核心診斷之一。

EAST裝置上的XEUV診斷主要由狹縫、凹面變間距光柵及探測(cè)器三部分組成。狹縫的水平寬度與光譜的譜分辨率有關(guān)，縫寬可在（0～0.5）mm范圍內(nèi)調(diào)整；狹縫的豎直高度對(duì)光譜儀的空間分辨能力有影響，縫高可在（0～1）cm范圍內(nèi)變化。

核心分光元件采用凹面變間距光柵，該光柵成像是基于羅蘭圓原理[16]。入射狹縫放置在羅蘭圓上，光柵刻線(xiàn)與狹縫保持平行，通過(guò)狹縫的光經(jīng)凹面變間距光柵衍射分光后，以不同波長(zhǎng)譜線(xiàn)λ1,λ2,λ3,…成像于羅蘭圓上。衍射光譜滿(mǎn)足光柵方程：

式中，α為入射角，β為衍射角，d為光柵常數(shù)，k為光譜級(jí)數(shù)。在變間距光柵中d為變量，通過(guò)改變d，可以實(shí)現(xiàn)一定波長(zhǎng)范圍的光譜聚焦偏離羅蘭圓而成一直線(xiàn)，如圖1所示。該類(lèi)型光柵在極紫外波段光譜儀中應(yīng)用較為廣泛。

圖1 凹面變間距光柵光路簡(jiǎn)單示意圖

光譜儀所采用的探測(cè)器為電荷耦合器件（CCD），由Andor公司生產(chǎn)的大陣面CCD像元數(shù)為2 048*2 048，像元尺寸為（13.5×13.5）μm2，感光面積為（27.6×27.6）mm2。該探測(cè)器的讀出數(shù)率最高可達(dá)5 MHz。CCD主要讀數(shù)模式有Multi-track（MT）模式、Full vertical Binning（FVB）模式以及成像模式。實(shí)驗(yàn)中，我們常采用FVB模式和MT模式。兩者的區(qū)別在于FVB模式將所有的行并到一起，沒(méi)有空間分辨能力；而MT模式可以將部分行和列像元疊加成為一個(gè)整體，所獲得的數(shù)據(jù)具有一定的空間分辨能力，其空間分辨能力可由下式獲得，

其中，M為物到狹縫距離與狹縫到成像面距離的比值，P為像元尺寸，d為狹縫的高度，N為合并的像元數(shù)，將目前的M、P、d和N的數(shù)值代入，可得目前的空間分辨能力為24.5 mm。

基于目前光譜儀各部件的參數(shù)設(shè)置，我們得到光譜儀的主要參數(shù)為光譜范圍（1～50）nm，光譜分辨率為0.015 nm@20 nm，空間分辨率為24.5 mm，儀器工作范圍（0～450）mm（芯部等離子體上半空間），時(shí)間分辨率為20 ms。

在完成光譜儀的整體研制后，需要對(duì)光譜儀進(jìn)行波長(zhǎng)標(biāo)定。相比于可見(jiàn)光光源、紅外或紫外波段光源，該波段的光源較為稀缺。目前波長(zhǎng)標(biāo)定主要采用特定光源，如中國(guó)科技大學(xué)的同步輻射源、托卡馬克裝置中等離子體放電光源。圖2為同步輻射源現(xiàn)場(chǎng)波長(zhǎng)標(biāo)定圖。

圖2 同步輻射波長(zhǎng)標(biāo)定現(xiàn)場(chǎng)圖

利用測(cè)量得到的譜線(xiàn)，可以獲得光譜儀探測(cè)器像素和波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系，一般采用線(xiàn)性、二次、三次等多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行擬合。本研究可以采用以下的三次函數(shù)擬合算法進(jìn)行計(jì)算，

其中，N為探測(cè)器像元序號(hào)，a0、a1、a2和a3為對(duì)應(yīng)項(xiàng)系數(shù)。將數(shù)條特征譜線(xiàn)的波長(zhǎng)和像元序號(hào)關(guān)系代入求解，可以獲得多項(xiàng)式的系數(shù)。在完成波長(zhǎng)標(biāo)定后，將光譜儀安裝到托卡馬克裝置中，而光譜儀整體搬遷所帶來(lái)的微小誤差可通過(guò)托卡馬克中的特征譜線(xiàn)來(lái)校正。圖3為EAST裝置上采用類(lèi)氫氧線(xiàn)O VIII（波長(zhǎng)為1.897 nm）和類(lèi)氫碳線(xiàn)C VI（波長(zhǎng)為3.73 nm）進(jìn)行的波長(zhǎng)再標(biāo)定結(jié)果，在托卡馬克裝置中，碳氧雜質(zhì)較為常見(jiàn)，而且這兩條譜線(xiàn)輻射較強(qiáng)，基本上每一次放電都能被觀測(cè)到，故可用于光譜儀實(shí)時(shí)的精確校準(zhǔn)。

圖3 XEUV光譜儀在托卡馬克裝置中的波長(zhǎng)標(biāo)定

2 高溫等離子體芯部雜質(zhì)測(cè)量

EAST托卡馬克裝置中的金屬雜質(zhì)主要來(lái)源于鎢、鉬、鐵和銅等，基于軟X射線(xiàn)和極紫外光譜診斷所獲得的金屬雜質(zhì)線(xiàn)輻射典型光譜參見(jiàn)圖4、5以及表1。圖4為XEUV光譜儀在EAST裝置上觀測(cè)到的鎢雜質(zhì)譜線(xiàn)，在（4～6）nm波段較為集中，主要的電離態(tài)為W XXVII-XXX。鎢雜質(zhì)譜非常復(fù)雜，對(duì)雜質(zhì)的識(shí)別帶來(lái)一定的困難，在較高的光譜分辨率儀器下才有可能實(shí)現(xiàn)精確識(shí)別。在更高電子溫度下，鎢雜質(zhì)譜線(xiàn)會(huì)呈現(xiàn)更高的電離態(tài)輻射譜線(xiàn)光譜，如圖5為XEUV光譜儀在EAST裝置上觀測(cè)到（12～14）nm波段的鎢雜質(zhì)譜線(xiàn)，該部分鎢雜質(zhì)電離態(tài)主要集中在W XL-XLVII，分布比較獨(dú)立，且在較高的等離子體電子溫度下（大于2 keV）才會(huì)出現(xiàn)。鉬雜質(zhì)譜線(xiàn)主要集中在（7～13）nm，表1為（6.7～8.4）nm范圍內(nèi)觀測(cè)到的鉬雜質(zhì)線(xiàn)輻射譜線(xiàn)，其電離態(tài)主要集中在Mo XVIII-Mo XXVIII，較為密集，而在（8～13）nm范圍存在若干條較為分立的鉬雜質(zhì)譜線(xiàn)[9]，在EAST上觀測(cè)到的其它金屬雜質(zhì)光譜已在部分文獻(xiàn)中報(bào)道過(guò)，這里就不再贅述了。

表1 光譜儀在EAST裝置中觀察到的典型鉬雜質(zhì)譜線(xiàn)列表

圖4 XEUV光譜儀在托卡馬克上觀測(cè)到的典型鎢雜質(zhì)譜線(xiàn)

圖5 XEUV光譜儀在托卡馬克上觀測(cè)到的（12～14）nm波段鎢質(zhì)譜線(xiàn)

光譜雜質(zhì)譜線(xiàn)的精確識(shí)別主要依賴(lài)于原子數(shù)據(jù)模型的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，國(guó)際上已經(jīng)有大量的科學(xué)家參與了線(xiàn)輻射光譜的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)確認(rèn)工作，本文中的雜質(zhì)譜線(xiàn)主要通過(guò)查找國(guó)際原子數(shù)據(jù)庫(kù)（NIST）[17]和部分其他科研工作者的工作來(lái)實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)探測(cè)器在MT模式下工作時(shí)，可以獲得雜質(zhì)線(xiàn)輻射空間分布。圖6為典型的不同雜質(zhì)電離態(tài)的空間分布圖。雜質(zhì)譜線(xiàn)來(lái)源于C VI、O VIII、Ar XV和Mo XXXI電離態(tài)，這些雜質(zhì)的剖面不同，有依次向芯部聚集的趨勢(shì)，主要與其電離能不同有關(guān)。其中，C VI電離能為490 eV，Ar XV為854 eV，O VIII為871 eV，Mo XXXI為1 726 eV。電離能越高的雜質(zhì)電離態(tài)，雜質(zhì)離子在芯部占比越多，這也是高Z雜質(zhì)常常在等離子體芯部聚集的原因之一。

圖6 EAST裝置上不同雜質(zhì)的剖面分布。（a）C VI剖面；（b）Ar XV剖面；（c）O VIII剖面；（d）Mo XXXI剖面

3 高溫等離子體芯部的金屬雜質(zhì)行為

在托卡馬克裝置中，為了等離子體獲得更高溫度以及進(jìn)行高約束模式放電，需要配以輔助加熱裝置來(lái)加熱等離子體，如離子回旋波、低雜波、中性束注入、電子回旋波加熱等方式。當(dāng)這些輔助能量被注入到等離子體中，會(huì)增加等離子體和壁的相互作用，濺射出更多的雜質(zhì)，如不采取合適的方式排出，將會(huì)增加主等離子體中的雜質(zhì)含量。圖7為典型的以低雜波和離子回旋波加熱為主的等離子體放電波形圖。放電初期，純歐姆加熱，溫度比較低，環(huán)電壓加高，F(xiàn)e XXXII譜線(xiàn)的強(qiáng)度比較弱。當(dāng)?shù)碗s波在0.8 s注入到等離子體中，F(xiàn)e的輻射強(qiáng)度增強(qiáng)。而在離子回旋波注入期間，F(xiàn)e輻射進(jìn)一步加大，表明等離子體與壁材料相互作用進(jìn)一步增強(qiáng)。當(dāng)?shù)碗s波加熱關(guān)斷時(shí)，F(xiàn)e強(qiáng)度也很快回落。圖中CXUV信號(hào)表示的是總輻射強(qiáng)度，其趨勢(shì)與Fe線(xiàn)強(qiáng)度演化相似。

圖7 托卡馬克裝置上低雜波和離子回旋波加熱對(duì)金屬雜質(zhì)行為影響。（a）電流信號(hào)；（b）環(huán)電壓信號(hào)；（c）低雜波加熱功率；（d）離子回旋加熱功率；（e）XUV輻射強(qiáng)度；（f）Fe線(xiàn)輻射強(qiáng)度隨時(shí)間演化

除了輔助加熱帶來(lái)的雜質(zhì)輻射增強(qiáng)以外，當(dāng)?shù)入x子體放電由低約束模式向高約束模式轉(zhuǎn)變時(shí)，也會(huì)引起芯部等離子體區(qū)域的輻射增強(qiáng)。圖8為托卡馬克上觀測(cè)到的由低約束模式進(jìn)入高約束模式時(shí)金屬雜質(zhì)的時(shí)間演化情況。當(dāng)?shù)入x子體放電由低約束模式進(jìn)入高約束模式時(shí)（時(shí)間為3.6 s），電子密度上升，總輻射信號(hào)增強(qiáng)，碳雜質(zhì)和氧雜質(zhì)都增強(qiáng)，而當(dāng)?shù)入x子體退回到低約束模式時(shí)（時(shí)間為4.3 s），雜質(zhì)輻射減弱。之后經(jīng)歷數(shù)次高低約束模式轉(zhuǎn)換，雜質(zhì)呈現(xiàn)類(lèi)似變化。

圖8 高溫等離子體中典型高低約束模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中金屬雜質(zhì)行為。（a）電流信號(hào)；（b）環(huán)電壓信號(hào)；（c）弦積分電子密度；（d）Hα強(qiáng)度；（e）總輻射強(qiáng)度；（f）C VI線(xiàn)輻射強(qiáng)度；（g）O VIII線(xiàn)輻射強(qiáng)度隨時(shí)間演化

為了應(yīng)對(duì)高Z金屬雜質(zhì)在高功率加熱、高約束和長(zhǎng)脈沖放電中的雜質(zhì)聚芯問(wèn)題，本文探索了多種手段來(lái)降低芯部高Z雜質(zhì)。通過(guò)在等離子體放電過(guò)程中注入低Z雜質(zhì)如鋰，可以在邊界產(chǎn)生輻射以降低等離子體與壁材料中高Z雜質(zhì)的相互作用。圖9為在EAST放電過(guò)程中撒入鋰粉的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，鋰開(kāi)始增加的時(shí)刻即為撒鋰粉的時(shí)間點(diǎn)，在（5～8）s可以看到鋰粉的注入能有效緩解芯部的鉬雜質(zhì)聚芯行為。

圖9 撒鋰粉對(duì)高Z金屬雜質(zhì)鉬的影響。（a）Li III隨時(shí)間演化；（b）Mo XXXI隨時(shí)間演化

近軸電子回旋波對(duì)雜質(zhì)聚芯的抑制也被國(guó)內(nèi)外眾多裝置報(bào)道過(guò)，在EAST裝置中也多次觀測(cè)到此現(xiàn)象。圖10為近軸電子回旋波注入對(duì)芯部鐵雜質(zhì)的影響，在電子回旋波注入期間，芯部鐵雜質(zhì)含量降低到原來(lái)的20%左右，表明其在芯部排雜方面效果顯著。電子回旋波排雜的機(jī)理尚不完全明確，主流觀點(diǎn)認(rèn)為其與芯部的湍流輸運(yùn)有關(guān)。除此之外，共振磁擾動(dòng)線(xiàn)圈（RMP）也被用來(lái)進(jìn)行芯部排雜實(shí)驗(yàn)研究，在EAST上的典型結(jié)果見(jiàn)圖11。在RMP注入期間，芯部的碳和鐵雜質(zhì)都大量減少，剖面呈現(xiàn)中空分布。對(duì)于RMP的芯部排雜，一方面認(rèn)為與進(jìn)入等離子體中的雜質(zhì)粒子通量有關(guān)；另一方面也可能與輸運(yùn)有關(guān)，但其機(jī)制也尚不明確。

圖10 近軸電子回旋波對(duì)鐵雜質(zhì)的影響

圖11 共振磁擾動(dòng)對(duì)鐵雜質(zhì)的影響

4 總結(jié)

高溫等離子體中的高Z雜質(zhì)聚芯是影響高溫等離子體長(zhǎng)脈沖高約束模式穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題。在研制軟X射線(xiàn)和極紫外光譜診斷的基礎(chǔ)上，對(duì)EAST上的金屬雜質(zhì)鎢和鉬等譜線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量，并基于譜線(xiàn)數(shù)據(jù)研究了不同放電條件下的金屬雜質(zhì)行為，提示了在高約束模式和高功率加熱下，高Z雜質(zhì)聚芯將不可避免。采用撒鋰粉、近軸電子回旋波加熱以及RMP注入，可以在一定程度上緩解高Z雜質(zhì)聚芯。但是，其物理機(jī)制尚不清晰，且高溫等離子體放電有眾多不可控因素，導(dǎo)致芯部排雜不能達(dá)到穩(wěn)定的效果。未來(lái)還需要在芯部排雜方法和物理機(jī)制研究中開(kāi)展更多的實(shí)驗(yàn)探索，才能有效降低甚至避免雜質(zhì)聚芯對(duì)高溫等離子體放電造成的影響。