EAST 等離子體Mo V-Mo XVIII極紫外光譜的識別*

張文敏 張凌 程云鑫 王正洶 胡愛蘭 段艷敏 周天富 劉海慶

1) (大連理工大學物理學院,大連 116024)

2) (中國科學院等離子體物理研究所,合肥 230031)

3) (中國科學技術大學研究生院科學島分院,合肥 230026)

1 引言

磁約束等離子體中燃料粒子是氫和它的同位素.雜質的存在會稀釋燃料粒子,對于高Z雜質,還會由于高冷卻率,造成等離子體的輻射功率損失,影響等離子體的約束性能.EAST 全超導托卡馬克裝置在2014 年和2020 年分別將上、下石墨偏濾器升級成鎢偏濾器.自2021 年,EAST 裝置運行在全金屬壁的環境:上、下偏濾器為鎢、第一壁為鉬,此外EAST 裝置低雜波加熱天線和眾多診斷屏蔽材料分別為銅和鐵.在長脈沖實驗和混合運行模式下,中、高Z雜質聚芯會導致等離子體約束性能嚴重退化(從高約束模轉換為低約束模)甚至直接導致放電終止[1,2].因此,在EAST 裝置上,觀測本征中、高Z雜質離子密度的時空演化,開展雜質輸運過程和機理的研究,實現芯部雜質含量的有效控制[3,4],對聚變裝置獲得高約束穩態長脈沖運行具有重要意義[5].

被動光譜診斷是聚變裝置中常規的雜質診斷手段[6].工作在極紫外(extreme ultraviolet,EUV)波段范圍(5—500 ?)的雜質光譜儀(掠入射光譜儀)已廣泛應用于聚變裝置中,成為雜質行為研究不可或缺的診斷系統之一[7-12].快速EUV 雜質譜儀用于實時監測等離子體芯部到邊界幾乎所有雜質離子發射的特征譜線;空間分辨EUV 雜質譜儀用于觀測中、高Z雜質離子密度分布的時空演化.2021 年之前,EAST 上發展了分別工作在短波段范圍(5—130 ?,可同時觀測42—97 ?)和長波段范圍(20—500 ?,可同時觀測131—253 ?)的“EUV_Short”和“EUV_Long”兩套快速EUV光譜儀系統[13,14],受限于探測器(charge-coupled device,CCD)感光面的大小,需要控制CCD 在焦平面上(波長色散方向)掃描實現等離子體芯部到邊界不同雜質離子的全譜監測.2020 年和2021 年,EAST快速EUV 譜儀系統進行了升級,可以在一炮放電中同時監測5—500 ?波段范圍內芯部到邊界雜質離子的特征譜線,以及其譜線強度隨放電時間的演化,尤其對于中、高Z雜質鐵、銅、鉬和鎢等雜質可以同時觀測低-高多個電離態離子,更利于研究雜質的輸運行為.然而由于EUV 波段存在大量的雜質譜線[13-15],特別是對于高Z雜質鉬、鎢,相鄰電離態的雜質離子相似的躍遷發出的譜線波長差別小[16,17],因此精確的譜線識別是一項基礎且關鍵的工作.

很多聚變裝置上利用等離子體中自發的鉬雜質爆發事件或鉬彈丸注入方式開展了鉬譜線的識別工作.TFR 裝置首次觀測并識別5—50 ?波段范圍的鉬雜質離子譜線[18],70—110 ?和50—500 ?波段的鉬光譜由JET[19]和LHD[16]裝置相繼觀測并識別.然而到目前為止各裝置沒有系統地識別5—500 ?波段范圍鉬雜質離子譜線.在2020 年EAST 實驗中,利用等離子體中自發的瞬態雜質濺射事件,通過兩套快速EUV 雜質譜儀波段掃描,觀測較高溫度(Te0=3.5 keV)下鉬雜質離子在8—400 ?波段范圍內發出的特征譜線,識別了中、高階電離態鉬離子Mo23+-Mo31+發出的Mo XXIVMo XXXII 譜線.本文基于2021 年EAST 上升級后的4 套快速EUV 譜儀系統對較低電子溫度(Te0=1.5 keV)等離子體低、中階電離態鉬離子Mo4+-Mo17+在5—485 ?波段范圍內發出的Mo VMo XVIII 特征譜線進行系統性的識別.低、中階電離態鉬離子位于等離子體邊界區域,因此這些譜線的精確識別不僅豐富了磁約束聚變等離子體鉬雜質光譜數據,同時還提供了邊界鉬雜質源的觀測,為深入研究從邊界到芯部的高Z雜質輸運行為奠定了基礎.

2 EAST 實驗裝置和EUV 雜質光譜儀診斷系統

EAST 是具有先進偏濾器位形的全超導托卡馬克裝置,根據放電需求可靈活控制極向場提供上單零(upper single null,USN)、下單零(lower single null,LSN)和雙零(double null,DN)等多種偏濾器位形的實驗條件.其中等離子體電流和縱場強度分別可達1.0 MA 和3.5 T.配備多種輔助加熱和電流驅動系統[20,21],包括中性束(neutral beam injection,NBI)、低雜波(low hybrid wave,LHW)、電子回旋共振加熱(electron-cyclotron resonance heating,ECRH)和離子回旋加熱(ion-cyclotron range of frequency heating,ICRF),大幅度提升EAST裝置的性能,靈活調控等離子體參數[22].

為了開展從邊界到芯部的雜質輸運物理行為研究,2021 年EAST 裝置提升了邊界低階電離態雜質離子觀測能力,共發展了4 套快速EUV 雜質光譜儀,包括EUV_Short、EUV_Long_a、EUV_Long_b 和EUV_Long_c.EUV_Short 譜儀工作波段范圍為5—130 ?,采用88.6°的入射角和中心刻線密度為2400 grooves/mm 的層狀變間距(varied line spacing,VLS)凹面全息光柵實現平場成像.后3 套譜儀工作波段范圍為20—500 ?,采用入射角為87.0°和中心刻線密度為1200 grooves/mm的VLS 的凹面光柵作為分光系統.光柵衍射方程為

其中,m,λ,δ0,α和β分別為衍射階數、波長、光柵中心刻槽間距、入射角和衍射角.圖1(a),(b)為這兩類譜儀的光柵參數和光路設計.兩類快速EUV譜儀的入射狹縫都為30 μm,均采用背射式高能段電荷耦合器件(CCD,1024 × 255 個像素點,像素點大小26 μm × 26 μm,CCD 長邊1024 像素點用于波長分辨測量,短邊255 像素點進行全部縱向合并)采集光譜圖像,時間分辨可達5 ms/frame.此外,每套EUV 譜儀系統上還安裝有準直激光器用于空間標定.文獻[13-15]詳細描述了EUV 雜質光譜診斷系統的特征和性能.升級后的4 套系統分別固定觀測5—50 ?,40—190 ?,245—500 ?,160—385 ?波段范圍.4 套快速EUV 譜儀的觀測弦如圖2 所示,其中EUV_Long_b 和EUV_Long_c觀測弦主要穿過等離子體邊界區域.

圖1 極紫外光譜儀的光路設計 (a) 短波段快速EUV 譜儀;(b) 長波段快速EUV 譜儀Fig.1.Optical layout of fast-time-response EUV spectrometer:(a) EUV_Short;(b) EUV_Long_a,EUV_Long_b,EUV_Long_c.

圖2 EAST 極向截面、最外磁面(紅色線)以及4 套快速極紫外光譜儀觀測弦Fig.2.EAST poloidal cross section and the last closed magnetic surface (red line),and lines of sight of four fast-timeresponse EUV spectrometers on EAST.

本文利用該4 套快速EUV 光譜儀組成的快速雜質譜儀診斷系統對瞬態雜質濺射事件產生的鉬雜質離子發出的EUV 光譜進行觀測.利用EAST等離子體中類氫到類鈹的低、中Z雜質的特征譜線以及其二階和三階譜線對該4 套快速EUV 譜儀的波長進行精確原位標定[23].第一種標定方法是利用全波段的多條線通過三次多項式擬合得到波長(簡記為λexp),第二種標定方法是利用單條線結合光柵色散方程計算出波長(簡記為λcal).波長的不確定度定義為Δλerr=λexp—λcal,兩類快速EUV 譜儀的Δλerr分別小于0.03 ? (EUV_Short)和0.08 ?(EUV_Long_a,EUV_Long_b,EUV_Long_c)[15].利用可見和EUV 連續軔致輻射比的方法進行原位絕對強度標定[24].基于NIST 數據庫[25]和已有實驗數據[16,18,19],并利用歸一化譜線強度隨時間演化行為對觀測到的譜線進行識別.此外,本工作還利用快速輻射量熱(absolute extreme ultraviolet,AXUV)診斷系統監測鉬雜質爆發前后輻射的時空演化行為[26].

3 鉬雜質譜線識別

圖3 所示為EAST 裝置L 模放電(#101700)伴隨有鉬雜質爆發的典型波形圖.該炮等離子體為LSN 位形;等離子體電流Ip=0.4 MA;低雜波加熱功率PLHW=1.2 MW (4.6 GHz);離子回旋加熱功率PICRF=0.3 MW;NBI 作為診斷束脈沖式注入,功率PNBI=0.6 MW;弦平均電子密度ne=2.6 × 1019m—3.從圖3(c)—(e)可以看出,由于ICRF功率的注入,等離子體密度、歸一化的鉬雜質強度以及輻射在7.029—8.315 s 有明顯的上升及波動;而在t=9.431 s 時Mo V 和Mo XXIV 歸一化譜線強度及輻射的突然上升表明此時發生了鉬雜質突然濺射事件,隨著鉬雜質離子向芯部輸運,雜質線輻射強度在t=9.497 s 達到峰值,之后逐漸下降,在t=9.711 s 后消失.圖3(e)中的邊界輻射EdgeIAXUV和芯部輻射CoreIAXUV強度與IMoV和IMoXXIV譜線強度具有相似的時間演化行為.從圖4(a),(b)鉬雜質爆發前后輻射剖面的時空演化分布也可以看出與圖3(d)一致的鉬雜質爆發及輸運現象.為了更準確進行譜線的分析和識別,選用在鉬雜質爆發前t0=9.172 s和爆發期間t1=9.497 s 兩個時刻點(如圖3 中兩條點劃線所示)觀測到的全譜進行對比.圖5 所示為鉬雜質爆發前和爆發期間5—485 ?波段范圍EUV 全譜以及譜線識別結果.圖5(a)—(d)所示EUV全譜分別是利用EUV_Short,EUV_Long_a,EUV_Long_c,EUV_Long_b 譜儀觀測的結果.譜線的識別是基于原子數據庫NIST[25]和已發表的實驗數據[16,18,19],并結合歸一化譜線強度隨時間的演化行為進行驗證.圖5 所示為由不同顏色標注的所識別出的譜線,其中綠色表示電離態離子Mo24+-Mo29+發出的Mo XXV-Mo XXX 譜線,紅色表示電離態離子Mo4+-Mo23+發出的Mo V-Mo XXIV 譜線,黑色表示其他雜質離子譜線.

圖3 發生鉬雜質濺射的典型波形圖 (a) 等離子體電流Ip;(b) 低雜波、離子回旋和中性束加熱功率(PLHW,PICRF,PNBI);(c) 芯部弦平均電子密度ne;(d) 歸一化的Mo V 258.069 ?和Mo XXIV 70.726 ?線輻射強度(IMoV,IMoXXIV);(e) 歸一化的邊界輻射和芯部輻射強度(Edge IAXUV,Core IAXUV)Fig.3.Typical waveform of discharge with molybdenum impurity sputtering:(a) plasma current,Ip;(b) heating power of low hybrid wave,PLHW,ion cyclotron range of frequency heating,PICRF,and neutral beam injection,PNBI;(c)central line-averaged electron density,ne;(d) normalized intensities of Mo V at 258.069 ?,IMoV,and Mo XXIV at 70.726 ?,IMoXXIV;(e) normalized radiation intensities observed by fast AXUV system along an edge and central chord,Edge IAXUV,and Core IAXUV,respectively.

圖4 EAST #101700 放電中鉬雜質爆發前后輻射分布(a) 9.1—9.9 s 的時間演化;(b) t=9.172 s,9.480 s,9.497 s 3 個時刻Fig.4.Radiation profiles before and after the molybdenum impurity burst in EAST #101700 discharge:(a) Time evolutions during 9.1—9.9 s;(b) at three timings of t=9.172 s,9.480 s and 9.497 s.

圖5 EAST #101700 放電鉬雜質爆發前325 ms(灰色線,t=9.172 s)和爆發期間(藍色線,t=9.497 s)觀測5—485 ?波段范圍的EUV 光譜 (a) 5—45 ?;(b) 45—165 ?;(c) 165—285 ?;(d) 285—485 ?Fig.5.EUV spectra observed 325 ms before (grey lines,t=9.172 s) and during (blue lines,t=9.497 s) the molybdenum burst at the wavelength ranges of 5—485 ? in EAST discharge #101700:(a) 5—45 ?;(b) 45—165 ?;(c) 165—285 ?;(d) 285—485 ?.

圖5(a)所示為5—45 ?波段范圍的鉬光譜.在15—27 ?波段范圍,出現了強度較弱的鉬未分辨躍遷系(Mo unresolved transition array,Mo-UTA),經分析其主要由電離態Mo19+-Mo24+(Mo XX-Mo XXV)的4d—3p,4f—3d 躍遷的譜線組成[18].本文在EAST 上觀測到27—45 ?波段范圍的鉬譜線.通過與TFR 裝置結果對比[18],確定由Mo14+-Mo17+(Mo XV-Mo XVIII)的5f—3d,4f—3d,4p—3d 躍遷的譜線組成,其中Mo14+(Mo XV)離子的共振線3d95f1P°1→3d101S0(29.458 ?)和3d94f1P°1→3d101S0(35.368 ?),以 及Mo15+(Mo XVI)離子的32.916 ?譜線強度較強且分立,可用于鉬雜質診斷和輸運研究.同時在該波段還發現了6 條強度較強的新譜線:(27.21 ± 0.01) ?,(27.37 ±0.01) ?,(28.99 ± 0.01) ?,(30.81 ± 0.01) ?,(31.54 ± 0.01) ?,(31.83 ± 0.01) ?.根據該波段范圍附近已知的其他鉬譜線,可以初步推斷這6 條譜線是Mo XV-Mo XVIII 線.

圖5(b)所示為40—165 ?波段范圍的鉬光譜.EAST 上首次觀測到45—60 ?波段范圍內的鉬譜線.波長在45—50 ?范圍內的譜線主要由Mo15+(Mo XVI)的4p—3d 躍遷線組成,然而由于譜線強度較弱,目前很難進行精確識別.50—60 ?波段內的譜線主要由Mo12+-Mo15+(Mo XIII-Mo XVI)的4p—3d,4s—3d 躍遷線組成,其中包含一些強度較強且獨立的禁戒躍遷線,例如Mo XV 57.927 ?(3d9(2D3/2)4s (3/2,1/2)2→3d101S0)和58.832 ?(3d9(2D5/2)4s (5/2,1/2)2→3d101S0)的電四極子躍遷(electric-quadrupole,E2)[27],另外通過圖6(b)電離態歸一化譜線強度隨時間演化的方法,在波長(115.865 ± 0.01) ?和(117.738 ± 0.01) ?處觀測到這兩條E2 線的二階譜(2ndMo XV:2 × 57.927 ?,2 × 58.832 ?).在65—95 ?波段范圍內觀測到的Mo-UTA 是由Mo16+-Mo29+(Mo XVII-Mo XXX)的躍遷線組成[16,19].在130—165 ?波段范圍內,雖然存在一些較強的銅雜質譜線,但對鉬譜線的識別并無影響;另外65—95 ?波段的Mo-UTA 在該波段范圍的二階譜強度非常弱.經過仔細識別,可以確定出該波段主要由Mo7+-Mo11+(Mo VIII-Mo XII)的5s—4p,4p—4p 躍遷線組成,包括Mo VIII 133.168 ?,134.362 ?,136.782 ?,Mo X 152.683 ?,157.624 ?,159.219 ?和Mo XII 131.394 ?.

圖6 EAST #101700 放電中四條鉬離子歸一化譜線強度隨時間的演化 (a) Mo VII 235.694 ?;(b) Mo XV 57.928 ?,2nd Mo XV 115.856 ?;(c) Mo XXIV 70.726 ?Fig.6.Time evolutions of the four molybdenum ions normalized line emission intensities in EAST #101700 discharge:(a) Mo VII at 235.694 ?;(b) Mo XV at 57.928 ? and 2nd Mo XV at 115.856 ?;(c) Mo XXIV at 70.726 ?.

圖5(c)是由EUV_Long_c 觀測到的165—285 ?波段范圍內的鉬光譜.由于EUV_Long_c譜儀的觀測弦靠近邊界,因此在該波段范圍觀測到較低電離態的Mo 離子譜線,例如Mo VI(227.801 ?),Mo IX(176.682 ?,231.991 ?,237.843 ?),Mo XII(250.112 ?).圖5(d)是由EUV_Long_b觀測到的285—485 ?波段范圍的鉬光譜.該波段存在一些強度很強的分立譜,利用譜線強度隨時間演化的特點可判斷為低階電離態鉬離子譜線,通過NIST 數據庫對比可以確定為Mo XIII(340.909 ?,3d104s4p1P°1→3d104s21S0),Mo XIV(373.647 ?,3d104p2P°3/2→3d104s2S1/2)線以及4p—4s 躍遷的Mo XV(347.339 ?,365.924 ?),Mo XII (329.414 ?,336.639 ?,391.125 ?)譜線.該波段同時還觀測到一些低Z雜質離子譜線,例如He II 和C IV 等,這些譜線用于波長的原位標定.

圖6 所示為4 條典型的較低電離態到較高電離態歸一化的鉬譜線強度隨放電時間的演化行為,其中圖6(a)是較低電離態Mo VII 235.694 ?譜線;圖6(b)是中階電離態 Mo XV 57.928 ?以及其二階譜2ndMo XV 115.856 ?譜線;圖6(c)是較高電離態Mo XXIV 70.726 ?譜線.當鉬雜質濺射事件發生以后,低階電離態Mo VII 235.694 ?譜線強度隨時間快速上升并在t=9.478 s 達到峰值,隨后快速下降.中階電離態Mo XV 57.928 ?和高階電離態Mo XXIV 70.726 ?譜線在t=9.497 s 才達到峰值,隨后緩慢的下降.電離態譜線歸一化的時間演化行為與電子溫度分布以及等離子體粒子約束及輸運特性相關.本文利用雜質譜線歸一化的時間演化行為對于所識別的譜線進行驗證.

表1 總結了5—485 ?波段范圍內識別的鉬譜線,包括鉬線、電離態、電離能、波長與躍遷能級.其中譜線波長實驗值一欄由λexp± Δλerr的形式給出.對于譜線波長的參考值落在誤差棒之外的譜線均采用時間演化對比的方法進行檢驗,可以確定是該條譜線.粗體表示可用于雜質診斷和輸運研究的12 條譜線.

表1 在EUV 波段識別的鉬譜線Table 1.Identified molybdenum lines in EUV range.

表1（續）在EUV 波段識別的鉬譜線Table 1 (continued).Identified molybdenum lines in EUV range.

4 總結與展望

本工作主要利用2021 年EAST 上升級的四套快速EUV 光譜儀對較低電子溫度(Te0=1.5 keV)等離子體中5—485 ?波段范圍內由瞬態鉬雜質濺射產生的鉬光譜進行了系統性的識別.在15—30 ?和65—95 ?波段范圍分別觀測到由電離態Mo19+-Mo24+(Mo XX-Mo XXV)與Mo16+-Mo29+(Mo XVIIMo XXX)組成的Mo-UTA.同時識別并分析了27—60 ?和120—485 ?波段范圍內Mo4+-Mo17+離子發出的多條Mo V-Mo XVIII 譜線,包括EAST 上首次觀測到強度較強且分立的禁戒線及共振線(Mo XV 50.448 ?,57.927 ?,58.832 ?,Mo XIV 373.647 ?,423.576 ?,Mo XIII 340.909 ?,352.994 ?);而且在27—32 ?波段范圍發現強度較強的6 條鉬的新譜線,根據附近已知的其他鉬譜線初步推斷是Mo XV-Mo XVIII 線.另外,確定了12 條用于物理研究強度較強的分立譜線.本文為深入研究從邊界到芯部的高Z雜質輸運行為奠定了基礎.下一步計劃利用這些已識別的用于雜質輸運研究的譜線在EAST 托卡馬克裝置運行期間實時監測等離子體中的雜質行為.同時,利用空間分辨的EUV譜儀[28,29]測量出對應電離態的雜質譜線的空間分布,并通過相應的反演,最后得出雜質濃度的時空分布;結合模擬工具根據已獲得的雜質濃度的時空演化分布可以計算出雜質粒子輸運系數,根據輸運的特點從而尋找出控制芯部雜質聚芯、降低雜質含量的方法.此外,這些譜線的觀測和識別還可以為天體物理和原子物理領域中元素的精確識別、高Z元素原子結構研究提供參考.