托卡馬克裝置雜質離子溫度與旋轉速度的測量

薛雷

摘要：對托卡馬克中等離子體放電時的一些物理參數如離子溫度，旋轉速度，離子密度等的測量有助于建立全面的實驗數據庫，以便更好地控制等離子體及核對一些主要等離子體數據。在實驗中運用電荷交換復合光譜診斷系統可對HL?2A托卡馬克裝置中的碳雜質的電荷交換復合光譜進行采集，用光譜采集系統將HL?2A托卡馬克中的光譜信息通過光纖傳遞到光柵光譜儀，通過CCD將數據傳遞給計算機并進行采集。用Matlab對得到的復合電荷交換光譜中的數據進行擬合，進一步得到離子溫度和旋轉速度的空間分布。從分布上可以看出離子的溫度與旋轉速度的最大值并非出現在HL?2A托卡馬克裝置的中心位置，而是出現在中心位置偏外邊緣的位置，這種分布情況可能是磁場位形所致。

關鍵詞：電荷交換復合光譜； 數據擬合； 離子溫度； 旋轉速度； 空間分布

中圖分類號：TN911?34 文獻標識碼：A 文章編號：1004?373X（2013）02?0116?03

聚變等離子體中的光譜應用有一段很長且令人印象深刻的歷史。光譜是一種不可替代的工具?，F今很多重要等離子體參數如離子溫度，旋轉，雜質通量，電磁場等都可以通過光譜手段來切入。光譜法診斷技術作為一種“非接觸式診斷技術”，其響應時間快，分辨率高。現今很多重要等離子體參數如離子溫度，旋轉，雜質通量，電磁場等都可以通過光譜手段來切入。電荷交換復合光譜CXRS（Charge Exchange Recombination Spectroscopy）是一個非常先進的光譜診斷工具。當中性束注入托卡馬克后，中性粒子的電子會轉移到完全電離的C雜質離子上，此時復合離子處于激發態，它會以光的形式輻射出一部分能量。由于離子的熱運動的原因，輻射能量譜線會呈現出一定的多普勒展寬和頻移。利用CXRS主要有三個優點：它使完全電離的雜質產生輻射；它使得雜質在中性束注入的地方產生輻射；它使得輻射可以發生在合適的波段。運用可見光譜測量系統可以很好的對CXRS進行測量，運用Matlab對得到的數據進行擬合，從而進一步得到等離子體的溫度和旋轉速度。

1 裝置基本結構及測量原理

1.1 電荷交換復合光譜診斷系統基本結構

電荷交換復合光譜診斷系統包括：光學采集系統，傳輸光纖，光柵光譜儀，ICCD，計算機控制和處理系統。當高溫等離子體發生聚變反應時，從等離子體中產生的光經過光纖傳輸到光譜儀，通過光譜儀的入射狹縫傳輸到光柵上，經過光柵分光形成光譜后，由ICCD將光強信號轉化為電信號，再經過計算機分析處理得到所要的光譜信息。電荷交換復合光譜（CXRS）診斷系統的視角范圍Observation Port是觀測窗口，當中性束注入（NBI）后，通過該窗口采集HL?2A托卡馬克外邊緣到中心等離子體的電荷交換復合光譜信息。光學采集系統由一個金屬反射鏡和一些透鏡片組成。利用幾何光學原理將HL?2A托卡馬克放電時由外邊緣到中心范圍內等離子體輻射的光通過透鏡組傳輸到光纖中。2011年采用的中心窗口光學采集系統的視角范圍相對要窄一些，比例為0.38<[ra]<0.71，這使得無法采集到中心范圍內等離子體的電荷交換復合光譜的信息。今年采用了斜窗口的光學采集系統的視角范圍比例為-0.27<[ra]<0.90，這可以采集到中心范圍內等離子體的電荷交換復合光譜的信息。采集到的光通過13道光纖傳輸到光譜儀。第1道光纖到第13道光纖采集的范圍依次對應HL?2A托卡馬克的邊緣到中心。在光譜儀中經過光柵的色散將各道德復色光分離成光譜。產生的光譜經過ICCD處理，將光信號轉換為電信號。

診斷系統中的ICCD帶有時間閘門的增強型影像ICCD，利用其信號增強功能和時間閘門控制特點，實現極弱信號采集、時間分辨影像捕捉等實驗功能。安裝ICCD應在斷電情況下，連接電源線，連接ICCD。在斷電情況下插PCI卡，連接數據線和ICCD。電源控制器一端連接PCI卡一端連接ICCD。在實驗過程中，使用外部觸發模式，ICCD的曝光時間設為20 ms，在接收到外部觸發信號后開始采集，一共采集200幀。通過自帶的Solis軟件對ICCD進行控制并進行數據采集。

1.2 電荷交換復合光譜診斷原理

在高溫等離子體內部，光譜學診斷常利用電荷數相對低的成分，稱為輕雜質，此時由于大部分離子的電子被完全電離，以至于不會發出線輻射，這樣就不利于直接進行光譜學診斷。利用中性束能夠克服這個障礙。光譜診斷中電荷交換復合光譜診斷如圖1所示。CXRS借助于外部注入粒子束使之與等離子體中的離子發生相互作用而產生光（H0+AZ+→H++A（Z?1）+*→H++A（Z?1）++hν），類氫離子產生于激發態，這是很有用的，因為其意味著一個或多個光子是由原子迅速發出的，而沒必要由碰撞激發所產生，而且根據輻射躍遷選擇定則，角動量差為±1，這使得高態不能直接躍遷到基態，其波長比到基態的共振線的波長要長，所以譜線容易觀測，尤其是可見光或近紫外波段。同時利用高分辨光譜儀采集光譜譜線，通過精確分析譜線的多普勒展寬和多普勒頻移，能直接或間接的測定等離子體的一些參數，如測量更高的離子溫度和接近于等離體中心的旋轉速度等參數利用CXRS方法測定離子溫度和旋轉速度更方便有效，因為這只依賴于譜線的位置和相對寬度，不依賴于強度，所以可以克服密度測量存在的一些困難。CXRS用于測量離子溫度，因為發光離子的熱運動引起了譜線的多普勒展寬；也可以用于測量等離子體旋轉速度，因為等離子體旋轉速度引起相同譜線的多普勒頻移。最后本地雜質濃度還可以從CXRS的的譜線強度推斷。從得到的這些參數中理解和分析等離子體的一些特性和物理過程，為托卡馬克的運行提供必要的理論準備和依據

2 實驗結果及分析

HL?2A裝置放電過程中的主要內部雜質是C雜質，豐富的C雜質能提供測量所需的足夠強度的信號，所以選CVI（n=8→n=7）529 nm電荷交換復合光譜來擬合。實驗中用Solis采集炮號為19 591的數據，取多普勒展寬最寬的一幀即第45幀的數據來分析其空間分布。由于在ICCD中觀測到的光譜波長位置與實際光譜波長位置是相反的，所以光譜左邊的那條線是由邊緣CIII（n=4→n=3）輻射而產生的，其中心波長為530.46 nm；光譜右邊那條線是由芯部CVI（n=8→n=7）通過電荷交換復合而產生的，其中心波長為529.06 nm。毛刺主要是由于HL?2A的光譜儀分辨率有限，以及存在噪聲等原因?；€不在x軸，是因為韌致輻射而產生了背景噪聲造成的。如圖2所示。將光譜中的數據轉化為.asc格式輸出，用Matlab程序讀取實驗數據，且用幾條高斯曲線來擬合CVI譜線，并計算碳雜質離子的溫度與環向旋轉速度。CXRS診斷系統觀察視線布局原理結構圖，采集到的譜線里面主要包括裝置邊緣的被動光譜成分和芯部的主動光譜成分，此外還會有來自邊緣電子影響的成分和一條未知雜質的譜線成分，這條雜質譜線有可能是氧。第45幀的光纖擬合的CVI譜線如圖2所示。這里采用Matlab中的fliplr函數將Solis采集的光譜數據左右反轉，得到實際光譜數據信息。圖中藍色高斯曲線代表實驗采集到的光譜曲線，綠色高斯曲線代表主動光譜成分，青色虛線代表被動光譜成分，青色實線代表CIII成分，黑色的高斯曲線代表ICE（電子碰撞）成分，洋紅色高斯曲線代表未知成分（可能是氧），紅色虛線是總的擬合曲線。

參考文獻

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