HL-2A 裝置上成像型中性粒子分析器的物理設(shè)計(jì)和初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果*

顏筱宇 何小斐 于利明? 劉亮 陳偉 石中兵 盧杰魏會(huì)領(lǐng) 韓紀(jì)鋒 張軼潑 鐘武律 許敏

1) (四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所,輻射物理及技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610065)

2) (核工業(yè)西南物理研究院,成都 610041)

在HL-2A 裝置上發(fā)展了基于硫化鋅銀閃爍體的成像型中性粒子分析器,對(duì)磁約束聚變等離子體中高能量粒子(EP)的分布、能量和螺距角等關(guān)鍵信息,以及EP 與磁流體不穩(wěn)定性之間的相互作用等物理問題進(jìn)行了研究.在中性束注入路徑上逃逸出的具有等離子體中快離子能量和螺距角信息的中性粒子,通過由入射孔和碳微晶體膜片組成的準(zhǔn)直系統(tǒng)后轉(zhuǎn)化為離子,在裝置邊緣磁場(chǎng)中受洛倫茲力偏轉(zhuǎn)而撞擊到閃爍體屏上.通過分析發(fā)光點(diǎn)的位置和光強(qiáng)度,可以推斷出裝置中快離子的位置、能量和螺距角等關(guān)鍵信息.在HL-2A 裝置高能量粒子物理實(shí)驗(yàn)中,通過該診斷和理論計(jì)算初步證實(shí)了長(zhǎng)壽模不穩(wěn)定性是由能量、螺距角和位置分別為E=12.5—32 keV,θ ～ 149.2° (v///v ～ 0.86)和R=170.5—171.5 cm 的芯部快離子激發(fā).

1 引言

磁約束聚變裝置中的大功率輔助加熱和電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(如中性束注入(NBI)、離子回旋波加熱、電子回旋波加熱/電流驅(qū)動(dòng)和低混雜波電流驅(qū)動(dòng)(LHCD)等),以及氘氚聚變反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的能量偏離等離子體溫度的高能量粒子(EP),包括快離子(FI)、快電子和阿爾法(α)粒子等.一方面,EP 可以有效地提高等離子體的溫度,驅(qū)動(dòng)等離子體無(wú)感電流,維持等離子體燃燒等.另一方面,EP會(huì)和磁流體力學(xué)波通過波-粒子相互作用而產(chǎn)生各種高能量粒子的不穩(wěn)定性[1-5].這些不穩(wěn)定性反過來(lái)會(huì)與EP 相互作用導(dǎo)致其發(fā)生顯著的擴(kuò)散、對(duì)流等輸運(yùn)和損失,進(jìn)而引起輔助加熱和電流驅(qū)動(dòng)效率下降,而攜帶著大量能量的損失EP 會(huì)對(duì)裝置第一壁造成破壞,甚至?xí)?dǎo)致其過熱和融化[6].因此,了解EP 在等離子體中的分布、能譜、輸運(yùn)和損失對(duì)理解等離子體加熱、電流驅(qū)動(dòng)、能量、粒子輸運(yùn)以及約束等至關(guān)重要.為了實(shí)現(xiàn)對(duì)熱離子和快離子的深入研究,國(guó)際上已發(fā)展了中性粒子分析器(NPA)[7]、快離子損失探針[8]、快離子α輻射測(cè)量(FiDα)[9]、法拉第筒[10]和湯姆孫相干散射[11]等診斷系統(tǒng).

NPA 診斷系統(tǒng)的工作原理是使用準(zhǔn)直系統(tǒng)收集通過電荷交換從等離子體中逃逸出來(lái)的攜帶有離子信息的中性粒子,此后利用氣體或者固體電荷剝離器使中性粒子變成帶電離子,最終使用能量分析器等對(duì)離子的能量、質(zhì)量和通量等進(jìn)行分析,得到離子溫度/能量(E)、徑向位置(R)、通量和螺距角(θ,實(shí)驗(yàn)上一般用v///v表示,即 cosθ=v///v,其中v//表示快離子平行于磁場(chǎng)的速度,v表示離子的總速度)等離子的關(guān)鍵信息.自20 世紀(jì)70 年代T-10 托卡馬克[12]發(fā)展NPA 測(cè)量等離子體中的離子溫度和快離子的速度分布函數(shù)以來(lái),NPA 通過對(duì)各種功能模塊的優(yōu)化,已經(jīng)發(fā)展出了測(cè)量離子溫度(及分布)、快離子的分布和能譜、等離子體中粒子的質(zhì)譜等功能.目前,NPA 已經(jīng)作為一種常規(guī)診斷被廣泛應(yīng)用于托卡馬克和仿星器上[13-18].歐洲聯(lián)合環(huán)(JET)裝置上的E//B(粒子分析功能單元中電場(chǎng)(E)平行于磁場(chǎng)(B)) NPA 不僅可以實(shí)現(xiàn)5—740 keV 范圍的快離子能量測(cè)量,還可得到氫-氘-氚粒子的質(zhì)譜[19].在未來(lái)的ITER 裝置上已經(jīng)設(shè)計(jì)了兩套NPA 診斷系統(tǒng),分別用于測(cè)量燃燒等離子體中氘氚離子的能量和質(zhì)譜,以及能量在MeV量級(jí)的α粒子分布函數(shù)和電荷剝離(He1+和He2+的比例)情況等重要信息,并作為關(guān)鍵診斷來(lái)監(jiān)測(cè)燃燒等離子體的性能[20].國(guó)內(nèi)的HL-1M 裝置發(fā)展了一套基于平行板探測(cè)器的NPA,用于測(cè)量等離子體的平均溫度.HL-2A 裝置沿用了平行板NPA,還開發(fā)了一套11 通道的具有空間分辨能力的緊湊型NPA (CP-NPA)[21],可以對(duì)平均離子溫度分布和非熱離子分布等進(jìn)行測(cè)量.除此之外,還在HL-2A 裝置上發(fā)展了一套電流型固態(tài)NPA (ssNPA)對(duì)能量大于22.5 keV 的快離子進(jìn)行了測(cè)量.

近些年,美國(guó)Heidbrink 教授的EP 物理研究團(tuán)隊(duì)[22,23]研發(fā)了一種基于閃爍體成像探測(cè),并可以放置在裝置真空室內(nèi)部的成像型NPA (INPA),用于測(cè)量快離子的能譜、空間分布和螺距角等關(guān)鍵信息.相對(duì)于放置于裝置真空室外,并額外需要真空維持、電荷剝離和粒子分析和探測(cè)等復(fù)雜功能模塊的傳統(tǒng)NPA,INPA 具有結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單、造價(jià)較低和實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),已在NSTX,ASDEX-U[24]與EAST[25]等裝置上得到了廣泛應(yīng)用并取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

在HL-2A 裝置上已經(jīng)發(fā)展了一套INPA 診斷系統(tǒng)[26],并在相關(guān)高能量粒子物理實(shí)驗(yàn)中取得了初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.本文第1 部分(引言)簡(jiǎn)要介紹了NPA 診斷系統(tǒng)及發(fā)展.第2 部分介紹INPA 診斷系統(tǒng)的測(cè)量原理、物理設(shè)計(jì)和主要結(jié)構(gòu).第3 部分介紹INPA 診斷系統(tǒng)在HL-2A 裝置上的安裝布局和初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果.第4 部分為總結(jié).

2 INPA 診斷系統(tǒng)的物理設(shè)計(jì)

INPA 診斷系統(tǒng)固定于HL-2A 裝置的真空室弱場(chǎng)側(cè)內(nèi)壁,其測(cè)量原理如圖1 所示.由粒子入射孔和具有電荷剝離作用的碳微晶體膜片組成準(zhǔn)直器,與NBI 電荷交換后從背景等離子體中逃逸出攜帶有快離子信息的大量中性粒子通過該準(zhǔn)直系統(tǒng),并被碳微晶體膜片剝離電子重新變成帶電離子(D+),透射出剝離膜片的帶電離子在裝置邊緣磁場(chǎng)中受洛倫茲力(f=ev×B,其中,e為單電荷電量,B為裝置邊緣磁場(chǎng)強(qiáng)度)作用偏轉(zhuǎn)180°后打擊到閃爍體上產(chǎn)生熒光.粒子的能量越高,則偏轉(zhuǎn)半徑(rd=,其中,mi表 示 D+的質(zhì)量)越大,在閃爍體上轟擊點(diǎn)與剝離膜片的縱向距離越大,閃爍體上光斑的亮度反映了轟擊到閃爍體上的粒子通量.從6 個(gè)準(zhǔn)直測(cè)量通道透射出的粒子束及其入射軌跡分別用紅色、藍(lán)色、黃色、綠色、紫色和棕色曲線表示,并分別被命名為第1—6 通道.

圖1 HL-2A 裝置INPA 診斷系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)及快離子的測(cè)量軌跡示意圖Fig.1.Structure of the INPA and flight trajectories of FIs on HL-2A.

圖2 給出了包括了 2#NBI 方向和INPA安裝窗口在內(nèi)的HL-2A 裝置部分俯視圖.在本次放電中,HL-2A 的等離子體電流(Ip)方向?yàn)槟鏁r(shí)針,縱向磁場(chǎng)(Bt)方向?yàn)轫槙r(shí)針.圖2 中用兩條粗黑色直線表示 2#NBI 系統(tǒng)的左右兩個(gè)注入分束,而INPA 系統(tǒng)6 個(gè)測(cè)量通道通過準(zhǔn)直系統(tǒng)測(cè)量到的中性粒子主要來(lái)自于NBI 右注入分束.INPA 系統(tǒng)準(zhǔn)直線在裝置法蘭中平面的理想情況下,第1—6通道具體的測(cè)量位置見圖中紅色、藍(lán)色、黃色、綠色、紫色和棕色粗直線與NBI 右注入分束的交叉點(diǎn).INPA 診斷系統(tǒng)6 個(gè)觀測(cè)位置的中心分別位于大半徑R≈ 172.6,170.6,170.9,175.8,180.5和211.8 cm 處.另外,受到窗口位置和可操作空間等實(shí)際限制因素,INPA 系統(tǒng)安裝在HL-2A 裝置的中平面下方,粒子入射孔在裝置中平面下方Z=-10.5 cm處.

圖2 HL-2A 裝置上2# NBI 的注入路徑和INPA 診斷系統(tǒng)中6 個(gè)測(cè)量通道所對(duì)應(yīng)的觀測(cè)位置Fig.2.Injection path of 2# NBI system and the observed positions for 6 channels of INPA on HL-2A.

計(jì)算通過6 個(gè)測(cè)量通道進(jìn)入準(zhǔn)直系統(tǒng)的粒子速度方向與測(cè)量位置處磁場(chǎng)方向之間的夾角即可得到快離子的螺距角.圖3 給出了HL-2A 裝置在第38140 次放電(第3 節(jié)的展示放電)實(shí)驗(yàn)中Bt=1.3 T和Ip=(155±3) kA 的實(shí)際情況下,利用EFIT代碼反演的裝置磁位形數(shù)據(jù),計(jì)算得到了理想情況下快離子的產(chǎn)生位置和對(duì)應(yīng)的螺距角信息,其螺距角v///v≈ 0,0.53,0.86,0.98,0.99 和0.93,即θ ≈ 90.0°,121.9°,149.2°,170.9°,172.0°和158.4° (v///v=cosθ).根據(jù)HL-2A 裝置和INPA系統(tǒng)安裝位置的工程信息,以及38140 次放電的實(shí)驗(yàn)參數(shù),可以得知該INPA 系統(tǒng)在理想情況下所測(cè)量粒子的位置范圍和螺距角等信息,如表1 所列.

表1 INPA 診斷系統(tǒng)的6 個(gè)測(cè)量通道所觀測(cè)粒子的位置和粒子特征信息Table 1.Observed positions and characteristic information of particles from the 6 channels of the INPA system.

圖3 在HL-2A 裝置極向截面顯示的INPA 系統(tǒng)觀測(cè)到的粒子位置和螺距角Fig.3.Positions and pitch angles of the observed particles from INPA system in the poloidal cross section in HL-2A.

INPA 診斷系統(tǒng)原理圖(圖1)對(duì)應(yīng)的實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖4 所示.INPA 的外部結(jié)構(gòu)為304 不銹鋼制成的長(zhǎng)方形封閉腔體,外部尺寸為10.6 cm ×12.0 cm × 9.5 cm,其封閉結(jié)構(gòu)可以屏蔽等離子體中的各種雜散光和雜質(zhì)粒子等.在INPA 外部腔體上,設(shè)有一個(gè)面向裝置等離子體的直徑φ=3 cm的粒子入射孔,在INPA 腔室內(nèi)入射孔后方3 cm處則水平排布有6 個(gè)間距為1.2 cm 的電荷剝離膜片,從觀測(cè)孔望去從右向左將其編號(hào)為1—6.電荷剝離模塊采用的是10 nm 厚、φ=5 mm 的圓形碳微晶體膜片.為了增加該膜片的耐久性,不僅將膜片固定在內(nèi)/外徑1.0/0.5 cm、厚0.5 mm 的無(wú)氧銅環(huán)上,而且其底部還固定在了每英寸300 格的密銅網(wǎng)上,如圖4(c)所示.碳微晶體膜片的厚度會(huì)使入射粒子的能量產(chǎn)生一定的能量衰減(δE),δE、入射粒子的能量(E)和膜片厚度(d)滿足公式 δE≈4.4×10-2√,其中E和d分別以keV和nm為單位.HL-2A 裝置上NBI 粒子的最高能量約為42 keV,因此當(dāng)膜的厚度為10 nm 時(shí),粒子經(jīng)過剝離膜片后產(chǎn)生的最大能量衰減 δE=2.85 keV.

圖4 HL-2A 裝置上INPA 診斷系統(tǒng)主要部件的實(shí)物及內(nèi)部布置圖 (a) INPA 的外觀圖;(b)內(nèi)部剝離膜片和閃爍體的布局圖;(c)碳微晶體膜片尺寸和結(jié)構(gòu)Fig.4.External figure and arrangement inside the chamber of INPA diagnostics on HL-2A: (a) External figure;(b) arrangement of carbon microcrystal diaphragm and scintillator inside the chamber: (c) detail structure of carbon microcrystal diaphragm.

硫化鋅摻雜銀(ZnS(Ag))閃爍體可以發(fā)射波長(zhǎng)峰值為450 nm 的藍(lán)色可見光,且發(fā)光效率約為蒽晶體的300%,光衰減時(shí)間約為200 ns,能夠在中性粒子通量較低時(shí)提高INPA 的信噪比,所以INPA 內(nèi)部顯示粒子轟擊位置和通量等信息的閃爍屏采用了ZnS(Ag) 閃爍體.基于HL-2A 裝置的常規(guī)運(yùn)行磁場(chǎng)強(qiáng)度和約42 keV 的離子能量上限,ZnS(Ag) 閃爍體的尺寸為7.0 cm × 10.0 cm.

由于直徑為φ=5 mm 的圓形碳微晶體膜片尺寸相對(duì)較大(不能被看作理想的點(diǎn)),因此能量相同、入射方向稍有不同的粒子在入射并擊打到熒光屏的過程中會(huì)存在如圖5(a)所示的發(fā)散情況,即在橫向和縱向形成具有一定寬度的橢圓形轟擊斑.轟擊斑的尺寸隨入射粒子能量以及測(cè)量通道的變化如圖5(b)所示,并將橢圓型光斑在縱向的短軸長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的能量范圍稱作能量分辨率 ΔE.6 個(gè)通道上粒子的落點(diǎn)與剝離膜片中心的距離D(D=2rd)和粒子入射能量的關(guān)系如圖5(c)所示,研究發(fā)現(xiàn)二者成指數(shù)相關(guān).對(duì)2—42 keV 能量范圍的粒子在6 個(gè)通道中的能量分辨率計(jì)算結(jié)果如圖5(d)所示.在HL-2A 的INPA 系統(tǒng)內(nèi),經(jīng)第1 測(cè)量通道對(duì)入射粒子能量分辨率最差,在測(cè)量粒子能量為42 keV 的情況下 ΔE ≈4.5 keV.另外,由于碳微晶體膜片和入射孔的實(shí)際尺寸會(huì)造成準(zhǔn)直系統(tǒng)的觀測(cè)位置偏離理想位置的展寬,如圖2 中理想觀測(cè)粗線兩側(cè)的細(xì)線所示.由此造成的各通道所測(cè)量的最大半徑Rmax、最小半徑Rmin、以及立體張角φ見表2 所列.

表2 INPA 診斷系統(tǒng)的6 個(gè)通道對(duì)應(yīng)的測(cè)量范圍Table 2.Measurement ranges corresponding to the 6 channels of the INPA diagnostic system.

圖5 INPA 診斷系統(tǒng)中幾何機(jī)構(gòu)引起的誤差分析 (a)粒子束在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)及在閃爍體上的轟擊斑;(b) INPA 診斷系統(tǒng)6 個(gè)測(cè)量通道的粒子在閃爍體上的落點(diǎn);(c)粒子在閃爍體上的落點(diǎn)位置和入射能量的關(guān)系;(d)能量分辨率與粒子能量的關(guān)系Fig.5.Analysis of errors caused by geometric mechanisms of diagnostic systems: (a) Flight orbits and impact spots of the measured particles on scintillator;(b) positions of impact spots from the particles from 6 channels in INPA;(c) relationship between the position of the particle's landing point on the scintillator and the incident energy;(d) relationship between energy of particles and energy resolution.

INPA 系統(tǒng)在真空室內(nèi)的實(shí)際安裝位置如圖6(b)所示.由于理想的中平面窗口已經(jīng)被其他診斷占用,INPA 所在直徑為63 cm 的法蘭位于中平面下15 cm 處.經(jīng)過安裝和核實(shí),粒子入射孔位于中平面下10.5 cm 處.在真空室外,通過成像光纖束將真空室內(nèi)閃爍體上的轟擊亮斑圖像信息傳輸給高速相機(jī),如圖6(a)所示.實(shí)驗(yàn)中采用了量子效率峰值與ZnS(Ag)閃爍體發(fā)光波長(zhǎng)峰值較為符合的工業(yè)高速相機(jī)(LUMENERA Lt225)記錄閃爍體的發(fā)光信息,其曝光時(shí)間范圍和最大全畫幅幀頻可以在26μs-500ms和170fps 范圍內(nèi)根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況(如 NBI 束線強(qiáng)度、逃逸粒子的通量和閃爍體的發(fā)光強(qiáng)度等)進(jìn)行調(diào)節(jié).

圖6 HL-2A 裝置上INPA 診斷系統(tǒng)的安裝 (a) INPA 診斷系統(tǒng)在真空室內(nèi)的安裝位置;(b) INPA 診斷系統(tǒng)在真空室外的高速相機(jī)、光纖束和法蘭等Fig.6.Installation of INPA system on HL-2A: (a) Installation of the INPA on the flange inside the vacuum chamber;(b) arrangement of the fast speed camera,light fiber bundle and flange.

3 INPA 診斷系統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在HL-2A 裝置中有NBI 加熱提供中性粒子媒介的情況下,INPA 診斷系統(tǒng)被應(yīng)用于快離子與高能量不穩(wěn)定性之間的相互作用研究,確定激發(fā)各種不穩(wěn)定性快離子的特征.在第38140 次放電實(shí)驗(yàn)中,在INPA 診斷系統(tǒng)上得到了有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并確定在這次放電實(shí)驗(yàn)中激發(fā)了長(zhǎng)壽模(LLM)不穩(wěn)定性快離子的能量、位置和螺距角等特征信息.

第38140 次放電中主要的實(shí)驗(yàn)參數(shù)、等離子體運(yùn)行狀態(tài)和快離子激發(fā)的不穩(wěn)定性等見圖7.在這次放電中,等離子體電流和縱向磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為Ip=(155 ± 3) kA和Bt=1.3 T,它們隨時(shí)間的演化如圖7(a)中紅色和藍(lán)色曲線所示.1#NBI,2#NBI和LHCD 功率分別為PNBI1=0.42 MW,PNBI2=0.38 MW和PLHCD=0.6 MW,2#NBI 注入粒子的能量Eb≈30—32 keV,其加熱時(shí)序如圖7(b)所示.在NBI 加熱期間的850—1100 ms 和1500—1750 ms 時(shí)間段內(nèi),等離子體處于高約束運(yùn)行模式(H 模),Dα輻射本底突然降低并且出現(xiàn)了邊緣局域模(ELM)引起的周期性振蕩;而在1100—1500 ms期間,等離子體處于低約束運(yùn)行模式(L 模),Dα輻射本底相對(duì)較高,如圖7(c)所示.由于等離子體在H 模運(yùn)行情況下的約束性能優(yōu)于L 模,因此等離子體平均密度(ne)從L 模情況下的1.8 × 1019m-3上升到H 模情況下的2.2×1019—2.5×1019m-3,如圖7(a)中綠色曲線所示.在整個(gè)NBI 加熱的800—1800 ms 期間可在米爾諾夫(Mirnov)磁探針信號(hào)上觀測(cè)到由快離子激發(fā)的高能量不穩(wěn)定性中常見的LLM,LLM 在Mirnov 磁探針信號(hào)上引起的明顯磁擾動(dòng)信號(hào)和其頻率譜圖分別如圖7(d)和圖7(e)所示,LLM 的頻率(fLLM)基本穩(wěn)定在10—12 kHz 之間,并且在L 模運(yùn)行期間LLM 引起的磁擾動(dòng)基本處于較高幅度且飽和狀態(tài);而在H 模運(yùn)行期間,LLM 會(huì)被周期性爆發(fā)的ELM 影響而出現(xiàn)磁擾動(dòng)幅度的明顯減小甚至被致穩(wěn)的狀態(tài),表現(xiàn)在頻率上則是被周期性地打斷和消失.

圖7 HL-2A 裝置上第38140 次放電的實(shí)驗(yàn)參數(shù)及觀測(cè)到的LLM 不穩(wěn)定性 (a) 等離子體主要放電參數(shù),即 Ip、等離子體平均密度 ne和Bt ;(b) 1#和2# NBI 束線的加熱功率和時(shí)序;(c)氘 α (Dα)輻射信號(hào);(d) Mirnov 磁探針信號(hào)及(e)頻率譜圖Fig.7.Discharge parameters and the observed LLM instabilities in shot 38140 on HL-2A: (a) Main discharge parameters,Ip,lineaveraged electron density ne and Bt ;(b) heating power of 1# and 2# NBI systems and evolution;(c) Dα signal;(d) Mirnov signal and (e) its spectrogram.

通過調(diào)節(jié)快速相機(jī)記錄了NBI 加熱期間與LLM 引起的與快離子分布等相關(guān)的實(shí)驗(yàn)圖像,如圖8 所示.圖8(a)—(l)給出了快速相機(jī)記錄的在1096—1504 ms 期間內(nèi)與12 個(gè)時(shí)間點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的粒子轟擊到閃爍體屏幕上的圖像數(shù)據(jù),其中左上角位置的圓形亮點(diǎn)是等離子體放電發(fā)出的通過入射孔與第1 個(gè)電荷剝離膜片直接被高速相機(jī)記錄的可見光,左上角藍(lán)色圓點(diǎn)為第3 個(gè)剝離膜片的實(shí)際位置.在LLM 擾動(dòng)幅度相對(duì)較強(qiáng)且等離子體約束性能相對(duì)較差的L 模運(yùn)行期間,在閃爍屏右側(cè)觀測(cè)到了與LLM 相關(guān)的明顯的粒子轟擊斑,如圖8(b)—(j)所示.而在LLM 擾動(dòng)幅度較弱的H 模運(yùn)行期間未在閃爍屏上觀測(cè)到轟擊斑,如圖8(a)和圖8(l)所示.在L 模運(yùn)行模式下與LLM 不穩(wěn)定性有關(guān)的快離子可以在INPA 閃爍體上被明顯地觀測(cè)到的原因可能是: 1) H 模運(yùn)行期間裝置對(duì)等離子體整體的約束水平要遠(yuǎn)高于L 模,如ne在H 模運(yùn)行期間高于L 模,裝置對(duì)快離子的約束能力也相對(duì)較高;2)在H 模運(yùn)行期間的高ne情況下,逃逸的中性粒子與等離子體碰撞再次被電離的概率遠(yuǎn)高于L 模運(yùn)行低ne情況;3) LLM 不穩(wěn)定性的強(qiáng)度(Mirnov磁探針的擾動(dòng)幅度)在L 模運(yùn)行模式下要高于H 模運(yùn)行情況,并且在L 模運(yùn)行期間LLM 不會(huì)被頻繁出現(xiàn)的ELM 打斷.在這次實(shí)驗(yàn)中,由于 2#NBI的注入功率和束強(qiáng)度很低,中性粒子束注入等離子體較淺,能為快離子電荷交換逃逸提供的媒介中性粒子較少,因此能打擊到閃爍體上的粒子數(shù)目較少,轟擊斑光強(qiáng)較弱.采用光纖束對(duì)閃爍體閃光圖像進(jìn)行傳輸?shù)姆桨笗?huì)使光通量損失約30%.根據(jù)閃爍體的粒子轟擊閃光效果,高速相機(jī)的曝光時(shí)間和采樣時(shí)間分別被調(diào)整約為30 ms和37 ms.

圖8 NBI 期間的LLM 引起的粒子轟擊圖像 (a)—(l) LLM 在H 模和L 模運(yùn)行期間的不同時(shí)刻在INPA 閃爍體上觀測(cè)到的粒子轟擊圖像及演化Fig.8.Impact spots caused by LLM instabilities on scintillator screen: (a)-(l) impact light spots of measured particles caused by LLM on scintillator screen in different time during H-and L-mode operation scenarios.

通過EFIT 文件給出的第38140 次放電過程中在INPA 位置的具體磁場(chǎng)強(qiáng)度和分布情況可以計(jì)算出來(lái)自INPA 診斷系統(tǒng)不同測(cè)量通道(位置)的粒子在閃爍屏上的落點(diǎn)網(wǎng)格,即縱向和橫向分別表示測(cè)量粒子的能量和位置.圖9 給出了在1356 ms 時(shí)刻高速相機(jī)記錄到的閃爍體的粒子轟擊斑圖像(對(duì)應(yīng)于圖8(h))以及經(jīng)過計(jì)算后得到的能量和位置網(wǎng)格.通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),LLM 不穩(wěn)定性被激發(fā)期間閃爍屏上的粒子轟擊斑是由INPA 診斷第3 通道測(cè)量到的.根據(jù)亮斑在水平方向的位置和縱向分布范圍可知被測(cè)量粒子主要來(lái)自于大半徑R=170.9 cm 處,其能量范圍和螺距角分別為E≈ 14—30 keV 和149.2° (v///v～ 0.86).因此,LLM 主要由來(lái)自等離子芯部的通行快離子激發(fā).考慮到INPA 診斷的系統(tǒng)誤差問題(圖5(d)),激發(fā)LLM 不穩(wěn)定性的快離子的可能位置和能量范圍分別為R≈ 170.6—171.5 cm和E≈ 12.5—32.0 keV.

圖9 通過閃爍屏上的轟擊斑位置得到的快離子能量和位置Fig.9.Energy and birthplace of FIs based on the impact light spot on scintillator screen.

LLM 又被稱為“非共振魚骨?！被颉帮柡汪~骨模”,也是由快粒子與內(nèi)扭曲模通過進(jìn)動(dòng)共振而激發(fā).與典型的魚骨模相比,LLM 一般發(fā)生在安全因子q分布具有反剪切或弱剪切,以及最小安全因子qmin稍大于1 的等離子體中[27,28].LLM 不僅可以引起Mirnov 磁探針的擾動(dòng)(如圖7(d)所示),還可以引起電子溫度和等離子體密度等的擾動(dòng).圖10(a)—(d)給出了具有一定空間分辨率的遠(yuǎn)紅外激光干涉儀診斷系統(tǒng)(FIR1—FIR4)分別在距離等離子體中心弦距d=3.5,10.5,17.5 和24.5 cm 處探測(cè)到的LLM 不穩(wěn)定性引起的密度擾動(dòng).LLM 在d=10.5 cm處引起的擾動(dòng)最強(qiáng),在d=3.5 cm 處較弱,而在d=17.5 和24.5 cm 處LLM 則不會(huì)引起密度擾動(dòng).該現(xiàn)象說(shuō)明LLM 不穩(wěn)定性大致局域在距離等離子體芯部r≈ 10.5 cm 處.

圖10 通過具有空間分辨率的遠(yuǎn)紅外密度干涉儀的密度擾動(dòng)確定LLM 的局域位置Fig.10.Locations of LLM confirmed by the fluctuations in electron-density by far-infrared laser interferometer with a rough spatial resolution.

通過計(jì)算得到的LLM 不穩(wěn)定性的頻率(fLab)與等離子體的環(huán)向旋轉(zhuǎn)頻率(ft)以及激發(fā)LLM的快離子的進(jìn)動(dòng)頻率(fp)滿足以下關(guān)系:

其中,n表示不穩(wěn)定性的環(huán)向模數(shù),對(duì)于屬于內(nèi)扭曲模的LLM,其環(huán)向模數(shù)為1,即fLab=fp+ft.

粒子的進(jìn)動(dòng)頻率公式[29]為

通行粒子(κ2＞1)的進(jìn)動(dòng)公式中的H(κ,s) 因子可表示為

這里E(1/κ2)和K(1/κ2) 表示第一類和第二類不完全橢圓積分.

通過INPA 診斷系統(tǒng),在實(shí)驗(yàn)中得到了激發(fā)LLM 不穩(wěn)定性的快離子能量范圍、螺距角和位置分別為E=12.5—32.0 keV,θ≈149.2°(v///v≈0.86)和R=170.6—171.5 cm.按照通行粒子的進(jìn)動(dòng)公式對(duì)INPA 測(cè)量到的E≈12.5—32.0 keV 快離子的進(jìn)動(dòng)頻率進(jìn)行計(jì)算,取LLM 不穩(wěn)定性局域位置r≈10.5cm處,R0=1.6m,q≈1.05,s=0.25E=12.5-32keV的通行離子的進(jìn)動(dòng)頻率fp≈2.4—6.2 kHz.另外,通過電荷交換譜儀得到了在NBI注入期間等離子體的環(huán)向旋轉(zhuǎn)頻率信息,如圖11所示.圖11(a)給出了在t=1350 ms 附近(接近實(shí)驗(yàn)分析的t=1356 ms 時(shí)刻)等離子體的環(huán)向旋轉(zhuǎn)頻率的空間分布.在LLM 不穩(wěn)定性局域位置處r≈ 10.5 cm (R=170.9 cm)的等離子環(huán)向旋轉(zhuǎn)頻率ft≈8.1 kHz,如圖中虛線所對(duì)應(yīng)的位置.圖11(b)給出了在LLM 不穩(wěn)定性局域位置附近的等離子體環(huán)向旋轉(zhuǎn)頻率隨時(shí)間的演化.ft的變化趨勢(shì)與LLM 頻率變化大體一致,因此,LLM不穩(wěn)定性頻率的變化主要是由ft的變化引起的.

圖11 (a) 1356 ms 前后等離子體轉(zhuǎn)動(dòng)頻率隨大半徑的變化;(b)大半徑在170 cm 附近,等離子體轉(zhuǎn)動(dòng)頻率隨時(shí)間的變化Fig.11.(a) Variations of plasma rotation frequency with R around 1356 ms;(b) variations of plasma rotation frequency with time for R around 170 cm.

將上述計(jì)算得到的能量E=12.5—32.0 keV的通行離子的進(jìn)動(dòng)頻率(fp≈2.4—6.2 kHz)和實(shí)驗(yàn)得到的在LLM 不穩(wěn)定性局域位置等離子體環(huán)向旋轉(zhuǎn)頻率(ft=8.1 kHz)代入(1)式可得,fLab范圍在10.5—14.3 kHz,見表3.該結(jié)果與頻譜圖中觀測(cè)到在t=1356 ms 時(shí)刻的LLM 不穩(wěn)定性的頻率fLLM=13.4 kHz 接近.因此,在誤差范圍內(nèi)可以證明實(shí)驗(yàn)中的LLM 不穩(wěn)定性是由能量E=12.5—32.0 keV、螺距角θ≈149.2° (v///v≈ 0.86)和局域位置在R=170.6—171.5 cm 處的通行快離子激發(fā)的.

表3 通行快離子的理論計(jì)算頻率值與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)LLM 不穩(wěn)定性頻率對(duì)比Table 3.Comparisons between the calculated frequency of EIs and fLLM.

4 總結(jié)與討論

根據(jù)HL-2A 裝置的運(yùn)行參數(shù)和實(shí)際空間位置等條件,設(shè)計(jì)了一套INPA 診斷系統(tǒng)用于高能量粒子物理研究中快離子的空間分布、能量和螺距角等關(guān)鍵信息的測(cè)量,以及高能量粒子不穩(wěn)定性與快離子相互作用的研究.在HL-2A 裝置物理實(shí)驗(yàn)中,使用INPA 診斷系統(tǒng)對(duì)快離子進(jìn)行了觀測(cè),得到了LLM 不穩(wěn)定性主要由能量、螺距角和位置分別為E=12.5—32.0 keV,θ ≈149.2° (v///v≈ 0.86)和R=170.1—171.5 cm 處的芯部快離子激發(fā),并通過理論計(jì)算對(duì)該結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證.由于INPA 診斷系統(tǒng)的安裝位置距離NBI 束線較遠(yuǎn),NBI 粒子束在注入到等離子體中所觀測(cè)位置后的衰減比較嚴(yán)重,所能提供給背景等離子體中快離子進(jìn)行電荷交換的中性粒子很少.另外,采用對(duì)光傳輸效率較差的成像光纖束對(duì)閃爍屏上的光斑圖像進(jìn)行傳輸,這些都造成了INPA 系統(tǒng)的有效信號(hào)較弱.目前,HL-2A 裝置上的INPA 系統(tǒng)主要適用于在NBI條件下,對(duì)快粒子約束條件較差的L 模運(yùn)行模式的低密度等離子體進(jìn)行測(cè)量.在此條件下,INPA診斷系統(tǒng)的時(shí)間分別率約為37 ms.在下一輪的實(shí)驗(yàn)中將設(shè)計(jì)專門的圖像傳輸光路提高INPA 診斷系統(tǒng)的信噪比和時(shí)間分辨率.INPA系統(tǒng)在HL-2A裝置上的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)為該診斷在HL-2M 裝置上的發(fā)展積累了重要的物理設(shè)計(jì)、工程安裝和實(shí)驗(yàn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn).根據(jù)HL-2M 裝置高能量粒子物理實(shí)驗(yàn)需求,INPA 診斷系統(tǒng)已經(jīng)開始在HL-2M 裝置上進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工.