托卡马克装置杂质离子温度与旋转速度的测量

摘要：对托卡马克中等离子体放电时的一些物理参数如离子温度，旋转速度，离子密度等的测量有助于建立全面的实验数据库，以便更好地控制等离子体及核对一些主要等离子体数据。在实验中运用电荷交换复合光谱诊断系统可对HL⁃2A托卡马克装置中的碳杂质的电荷交换复合光谱进行采集，用光谱采集系统将HL⁃2A托卡马克中的光谱信息通过光纤传递到光栅光谱仪，通过CCD将数据传递给计算机并进行采集。用Matlab对得到的复合电荷交换光谱中的数据进行拟合，进一步得到离子温度和旋转速度的空间分布。从分布上可以看出离子的温度与旋转速度的最大值并非出现在HL⁃2A托卡马克装置的中心位置，而是出现在中心位置偏外边缘的位置，这种分布情况可能是磁场位形所致。

关键词：电荷交换复合光谱； 数据拟合； 离子温度； 旋转速度； 空间分布

中图分类号：TN911⁃34 文献标识码：A 文章编号：1004⁃373X（2013）02⁃0116⁃03

聚变等离子体中的光谱应用有一段很长且令人印象深刻的历史。光谱是一种不可替代的工具。现今很多重要等离子体参数如离子温度，旋转，杂质通量，电磁场等都可以通过光谱手段来切入。光谱法诊断技术作为一种“非接触式诊断技术”，其响应时间快，分辨率高。现今很多重要等离子体参数如离子温度，旋转，杂质通量，电磁场等都可以通过光谱手段来切入。电荷交换复合光谱CXRS（Charge Exchange Recombination Spectroscopy）是一个非常先进的光谱诊断工具。当中性束注入托卡马克后，中性粒子的电子会转移到完全电离的C杂质离子上，此时复合离子处于激发态，它会以光的形式辐射出一部分能量。由于离子的热运动的原因，辐射能量谱线会呈现出一定的多普勒展宽和频移。利用CXRS主要有三个优点：它使完全电离的杂质产生辐射；它使得杂质在中性束注入的地方产生辐射；它使得辐射可以发生在合适的波段。运用可见光谱测量系统可以很好的对CXRS进行测量，运用Matlab对得到的数据进行拟合，从而进一步得到等离子体的温度和旋转速度。

1 装置基本结构及测量原理

1.1 电荷交换复合光谱诊断系统基本结构

电荷交换复合光谱诊断系统包括：光学采集系统，传输光纤，光栅光谱仪，ICCD，计算机控制和处理系统。当高温等离子体发生聚变反应时，从等离子体中产生的光经过光纤传输到光谱仪，通过光谱仪的入射狭缝传输到光栅上，经过光栅分光形成光谱后，由ICCD将光强信号转化为电信号，再经过计算机分析处理得到所要的光谱信息。电荷交换复合光谱（CXRS）诊断系统的视角范围Observation Port是观测窗口，当中性束注入（NBI）后，通过该窗口采集HL⁃2A托卡马克外边缘到中心等离子体的电荷交换复合光谱信息。光学采集系统由一个金属反射镜和一些透镜片组成。利用几何光学原理将HL⁃2A托卡马克放电时由外边缘到中心范围内等离子体辐射的光通过透镜组传输到光纤中。2011年采用的中心窗口光学采集系统的视角范围相对要窄一些，比例为0.38<[ra]<0.71，这使得无法采集到中心范围内等离子体的电荷交换复合光谱的信息。今年采用了斜窗口的光学采集系统的视角范围比例为-0.27<[ra]<0.90，这可以采集到中心范围内等离子体的电荷交换复合光谱的信息。采集到的光通过13道光纤传输到光谱仪。第1道光纤到第13道光纤采集的范围依次对应HL⁃2A托卡马克的边缘到中心。在光谱仪中经过光栅的色散将各道德复色光分离成光谱。产生的光谱经过ICCD处理，将光信号转换为电信号。

诊断系统中的ICCD带有时间闸门的增强型影像ICCD，利用其信号增强功能和时间闸门控制特点，实现极弱信号采集、时间分辨影像捕捉等实验功能。安装ICCD应在断电情况下，连接电源线，连接ICCD。在断电情况下插PCI卡，连接数据线和ICCD。电源控制器一端连接PCI卡一端连接ICCD。在实验过程中，使用外部触发模式，ICCD的曝光时间设为20 ms，在接收到外部触发信号后开始采集，一共采集200帧。通过自带的Solis软件对ICCD进行控制并进行数据采集。

1.2 电荷交换复合光谱诊断原理

在高温等离子体内部，光谱学诊断常利用电荷数相对低的成分，称为轻杂质，此时由于大部分离子的电子被完全电离，以至于不会发出线辐射，这样就不利于直接进行光谱学诊断。利用中性束能够克服这个障碍。光谱诊断中电荷交换复合光谱诊断如图1所示。CXRS借助于外部注入粒子束使之与等离子体中的离子发生相互作用而产生光（H0+AZ+→H++A（Z⁃1）+*→H++A（Z⁃1）++hν），类氢离子产生于激发态，这是很有用的，因为其意味着一个或多个光子是由原子迅速发出的，而没必要由碰撞激发所产生，而且根据辐射跃迁选择定则，角动量差为±1，这使得高态不能直接跃迁到基态，其波长比到基态的共振线的波长要长，所以谱线容易观测，尤其是可见光或近紫外波段。同时利用高分辨光谱仪采集光谱谱线，通过精确分析谱线的多普勒展宽和多普勒频移，能直接或间接的测定等离子体的一些参数，如测量更高的离子温度和接近于等离体中心的旋转速度等参数利用CXRS方法测定离子温度和旋转速度更方便有效，因为这只依赖于谱线的位置和相对宽度，不依赖于强度，所以可以克服密度测量存在的一些困难。CXRS用于测量离子温度，因为发光离子的热运动引起了谱线的多普勒展宽；也可以用于测量等离子体旋转速度，因为等离子体旋转速度引起相同谱线的多普勒频移。最后本地杂质浓度还可以从CXRS的的谱线强度推断。从得到的这些参数中理解和分析等离子体的一些特性和物理过程，为托卡马克的运行提供必要的理论准备和依据

2 实验结果及分析

HL⁃2A装置放电过程中的主要内部杂质是C杂质，丰富的C杂质能提供测量所需的足够强度的信号，所以选CVI（n=8→n=7）529 nm电荷交换复合光谱来拟合。实验中用Solis采集炮号为19 591的数据，取多普勒展宽最宽的一帧即第45帧的数据来分析其空间分布。由于在ICCD中观测到的光谱波长位置与实际光谱波长位置是相反的，所以光谱左边的那条线是由边缘CIII（n=4→n=3）辐射而产生的，其中心波长为530.46 nm；光谱右边那条线是由芯部CVI（n=8→n=7）通过电荷交换复合而产生的，其中心波长为529.06 nm。毛刺主要是由于HL⁃2A的光谱仪分辨率有限，以及存在噪声等原因。基线不在x轴，是因为韧致辐射而产生了背景噪声造成的。如图2所示。将光谱中的数据转化为.asc格式输出，用Matlab程序读取实验数据，且用几条高斯曲线来拟合CVI谱线，并计算碳杂质离子的温度与环向旋转速度。CXRS诊断系统观察视线布局原理结构图，采集到的谱线里面主要包括装置边缘的被动光谱成分和芯部的主动光谱成分，此外还会有来自边缘电子影响的成分和一条未知杂质的谱线成分，这条杂质谱线有可能是氧。第45帧的光纤拟合的CVI谱线如图2所示。这里采用Matlab中的fliplr函数将Solis采集的光谱数据左右反转，得到实际光谱数据信息。图中蓝色高斯曲线代表实验采集到的光谱曲线，绿色高斯曲线代表主动光谱成分，青色虚线代表被动光谱成分，青色实线代表CIII成分，黑色的高斯曲线代表ICE（电子碰撞）成分，洋红色高斯曲线代表未知成分（可能是氧），红色虚线是总的拟合曲线。

参考文献

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