HL-2A装置上的极向电荷交换复合光谱诊断

介绍了HL-2A装置上的高时空分辨极向电荷交换复合光谱诊断系统。该系统观测范围覆盖了大半径R=1.91~2.02m的等离子体区域,通过测量碳杂质离子谱线CⅥ(n=8→7,λ=529.06nm)的多普勒展宽,获得离子温度的分布剖面。该系统共有2个光学采集透镜组,其中一个透镜组放置在中性束注入窗口附近,用于观测中性束注入时的主动光谱和被动光谱;另一个透镜组放置在装置的另一侧,用于观测被动光谱。为了实时准确地对各测量通道的波长进行监测,采用了波长λ=532nm的激光作为参考。在有中性束注入的高模放电期间,系统在等离子体边界R^2.00m的位置观测到显著的边缘输运垒。

EAST托卡马克电荷交换复合光谱诊断的绝对强度标定

电荷交换复合光谱(Charge e Xchange Recombination Spectroscopy,CXRS)诊断系统主要用于等离子体旋转速度和离子温度的测量。CXRS诊断的另外一个重要应用是通过测量光谱的绝对强度来确定杂质离子的密度,因此需要对系统进行绝对强度标定。在实验前通过精确校准过且各个波长强度已知的积分球光源对系统进行初步的标定;在实验过程中又利用托卡马克装置中等离子体自身产生的轫致辐射对系统的强度标定进行了进一步的检验。通过比较轫致辐射强度的实验测量值和理论计算值,可以发现两种方法得到的结果虽然存在一定的误差,但是它们的趋势是一致的。实验结果表明,利用轫致辐射进行绝对强度标定是可行的。

EAST托卡马克上截面效应对电荷交换复合光谱测量结果的影响

离子温度和旋转速度是聚变等离子体中的重要物理参数,在先进实验超导托卡马克EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)上电荷交换复合光谱(Charge e Xchange Recombination Spectroscopy,CXRS)诊断是测量这些物理参数的标配诊断之一。由于截面效应的存在,CXRS诊断测量的谱线线型会受到影响,导致得到的离子温度和旋转速度偏离实际值,为了得到真实值,需要对离子温度和旋转速度进行修正。在EAST上,分别采用常用的动力学理论和数值计算方法对测量到的实验数据进行修正,同时对比两种方法对截面效应的修正结果,可以看出两种方法得到的结果趋势基本一致。对2015年EAST上电荷交换复合光谱测量到的典型的实验数据进行修正,结果表明在目前的放电条件下截面效应对离子温度的影响比较小,而对旋转速度的影响低于10%。

HL-2A装置上用电荷交换复合光谱测量等离子体温度

在大、中型托卡马克中,注入中性粒子到托卡马克后,电荷交换复合谱(CXRS)诊断是一种非常有效的诊断手段,可用于测量等离子体旋转速度、离子温度等重要的参数。通过对西南核工业物理研究院实验结果的有效数据分析,得到shot10419-track 4的接近芯部离子温度初步结果约为400 eV;shot10419-track 6的芯部离子温度约为700 eV。

贝叶斯反卷积在EAST电荷交换复合光谱分析中的应用

电荷交换复合光谱(Charge e Xchange Recombination Spectroscopy,CXRS)诊断是核聚变装置上测量等离子体离子温度和旋转速度的常规诊断之一。然而在实验中,诊断光通过光谱仪后,由于仪器函数的卷积效应,会使测量到的光谱出现明显展宽,影响数据处理的精度,所以需要对实验测量到的光谱进行反卷积处理。本文采用的反卷积方法是基于贝叶斯条件概率公式推导得出,并结合标准灯获取的仪器函数来进行反卷积,分别从仿真和实验两个方面验证了该方法的可靠性。结果表明将贝叶斯反卷积运用到先进实验超导托卡马克(Experimental Advanced Superconducting Tokamak,EAST)电荷交换复合光谱分析中,能有效提高实验测量精度。结合快速极紫外谱仪(Extreme ultraviolet,EUV),对EAST实验中经过贝叶斯反卷积后测量到的光谱进行了杂质谱线识别工作,进一步提高了精度。

托卡马克装置杂质离子温度与旋转速度的测量

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。

EAST H模等离子体中离子内部输运垒特性的初步实验研究

为了研究EAST上H模等离子体中离子内部输运垒(ITB)的特性,利用电荷交换复合光谱诊断,分析了离子ITB形成和稳态阶段等离子体离子温度和环向旋转速度的时空演化。结果表明,在离子ITB形成和稳定期间,ITB肩部附近(R=1.928m)的离子温度梯度增加时,ITB区域(R=1.984m)的离子温度梯度会有所降低,反之亦然。考虑到在离子ITB形成前,芯部区域不同半径位置的离子温度梯度同时增加或减小,得到了在R=1.984m处判断离子ITB是否形成的归一化离子温度梯度的阈值。

基于HL-2A托卡马克斜窗口光路设计

在HL_2A托卡马克装置上,利用电荷交换复合光谱方法测量高温等离子体的粒子参数是十分有效的。为了获得在可见光谱段480~650 nm的信号,满足在斜视的空间几何位置上获得较大的观察视场,以及要满足光纤数值孔径很小等要求,利用ZEMAX光学设计软件设计了一组由一个反射镜,4片透镜组成的光学系统,并且利用像面最大弥散光斑的尺寸验证了系统的有效性。

HL-2A装置中杂质离子温度与旋转速度的时间分布

在大、中型托卡马克装置中,依赖于中性束注入的电荷交换复合光谱诊断(CXRS)可以方便的测得杂质离子的浓度、温度以及环向旋转速度等参数。通过电荷交换复合光谱诊断(CXRS)系统对西南核工业物理研究所HL-2A装置进行光谱信息的采集,得到了第19591炮第8道的数据,通过Matlab程序对数据进行分析得出离子温度以及环向旋转速度的时间分布,从结果中可以看出,离子温度以及旋转速度的时间分布与中性束注入的功率变化趋势基本一致。