EAST边界和芯部杂质谱线的时间延迟研究

边界杂质注入是未来聚变装置ITER用于增强边界辐射，减少第一壁热负荷的一种重要方法。但部分注入的杂质会被输运到芯部，造成主等离子体辐射损失以及约束下降。光谱观测可以获取杂质种类、含量和分布等信息，在理解等离子体中杂质输运方面起着重要作用。在EAST（experimental advanced superconducting tokamak）偏滤器氩气（Ar）注入实验中，利用偏滤器可见光谱和芯部极紫外光谱监测边界的Ar1+离子谱线Ar Ⅱ(401.36 nm)和芯部的Ar15+离子谱线Ar ⅩⅥ(35.39 nm)，并获得两者强度随时间的变化。其中，Ar Ⅱ和Ar ⅩⅥ的电离能分别为27和918 eV，因此，Ar Ⅱ和Ar ⅩⅥ分别对应分布于等离子体边界和芯部Ar离子。为了分析二者谱线强度随时间变化的特征，发展了一种基于正则Pearson积矩相关系数的相关分析方法，计算得到两者谱线强度变化的相对延迟时间，以此表征杂质从边界向芯部输运的时间。结果显示，偏滤器注入Ar杂质后，芯部Ar ⅩⅥ辐射增长滞后于边界Ar Ⅱ辐射的增长，并且在具有较高的低杂波加热功率的放电中，两者的延迟时间较长，表明较高的低杂波加热功率可以延长杂质从边界向芯部输运的时间。     

基于标准温度法的电弧高温区自动判别研究

在电弧等离子体的光谱诊断中,标准温度法测温原理与目前先进的图像传感技术相结合,通过特征谱图像完成电弧全场温度信息采集,因其良好的时、空分辨率而被广泛应用于电弧温度测量。但是谱线的发射系数与等离子体温度不是单调变化关系,传统标准温度法选取一条ArⅠ谱线完成对电弧等离子体的测量,在电弧内部的高温电离区域产生谱线辐射强度降低的现象,需要人为判定电弧不同位置所处的温度区间才能完成温度的计算,整个过程无法通过软件自主完成。针对此问题,根据电弧等离子体的局部热力学平衡条件,探索一种基于双特征谱线的标准温度法测温原理,通过融合电弧在外层低温区域聚集的Ar原子发出的ArⅠ谱线发射系数场,和在高温区域的Ar一次电离离子所发出的ArⅡ特征谱线发射系数场,将达到ArⅠ谱线标准温度的位置处的ArⅡ谱线发射系数作为电弧不同温度区域的判定依据,完成电弧等离子体高温区域的自动判别,继而应用ArⅠ谱线发射系数与温度对应关系在电弧高、低温区域分别计算电弧温度,消除单一的ArⅠ谱线发射系数场暗区给计算带来的不利影响;设计并搭建了一种镜前分幅采集系统,其中分光镜将弧光等能量分成两束,利用两组反射镜和窄带滤光片建立起两路光学通道,使CMOS在一次曝光中完成两组电弧特征谱图像的采集,并且两幅图像的采集时刻、焦距、光圈等拍摄参数完全一致,达到良好的时间、空间一致性,从而减小谱线融合时误差的输出,满足了原位获取两组电弧特征谱图像的需求;为验证测量系统可行性以及后期的电弧图像提取,以黑白棋盘为标靶,用Harris算子对系统采集的图像进行扫描,根据角点坐标证明系统所采集的两幅图像具有良好的一致性,并且据此将两幅图像做归一化处理,以便后期的电弧特征谱图像的提取;通过假设所测电弧等离子具有轴对称属性,以CMOS所采集的特征谱图像亮度信息作为电弧发射系数场在不同角度下的投影依据,经过中值滤波降噪后,利用ML-EM迭代重建算法求解电弧的三维发射系数分布。实验中,选择受自吸收效应影响较小的ArⅠ696.5 nm谱线和ArⅡ480.6 nm谱线为测量目标,并且在696.5 nm谱线的光通路中加入OD0.4的中性减光片,使两幅特征谱图像的最高亮度值保持一致。选取150A焊接等离子弧为测量对象,经ML-EM法三维还原后,将两条谱线发射系数场等像素融合,在ArⅠ谱线发射系数达到最大值的像素点位置处,ArⅡ谱线发射系数达到ε_rp,判定ArⅡ谱线发射系数大于ε_rp的像素点位置为电弧高温区域,其余位置为低温区域,最终在不同温度区域自动完成焊接等离子弧的温度计算。实验结果表明696.5 nm谱线和480.6 nm谱线发射系数场融合后可以自动识别电弧高温区域,继而完成电弧等离子体的自动测量,为电弧温度实时监测的实现提供更多可能。     

激光波长对煤激光诱导击穿光谱特性影响的试验研究

我国电站入炉煤种复杂多变,实时快速获取煤质成分对保障锅炉的安全、高效、低污染运行具有重大意义。将激光诱导击穿光谱(LIBS)技术应用于燃煤煤质测量,观测了不同波长激光(355,532和1 064 nm)诱导产生的等离子体时间演变特性和不同电离特性元素的谱线时间特性,对比了出现屏蔽效应时的能量阈值随激光波长的变化特征,并研究了激光波长对煤LIBS光谱特性的影响规律。结果发现：使用532 nm激光作为激发光源时,煤LIBS光谱具有最强的谱线信号强度,且出现等离子体屏蔽效应的能量阈值也较高,是一种较理想的激发光源,为LIBS技术在煤质测量领域的工业应用提供了实验依据。     

EAST等离子体Mo Ⅴ-Mo ⅩⅧ极紫外光谱的识别

磁约束聚变等离子体中高Z杂质的存在给等离子体的约束状态带来不同程度的影响.EAST装置第一壁是钼瓦,不可避免地,等离子体与壁相互作用会使钼进入等离子体成为高Z杂质.本文利用EAST托卡马克装置快速极紫外杂质谱仪系统实现了对5—500?(1?=0.1 nm)波段范围内杂质线光谱进行同时监测.结合EAST等离子体低、中Z杂质的特征谱线对波长进行原位标定,基于NIST数据库和已有实验数据进行对比,并利用归一化谱线强度随时间演化行为,对较低电子温度(T_e0=1.5 keV)等离子体中5—485?波段范围内由瞬态钼杂质溅射产生的钼光谱进行了系统性识别.在15—30?和65—95?波段范围观测到分别由电离态Mo¹⁹⁺-Mo²⁴⁺(MoⅩⅩ-MoⅩⅩⅤ),Mo¹⁶⁺-Mo²⁹⁺(MoⅩⅦ-MoⅩⅩⅩ)组成的未分辨跃迁系.而且在EAST上观测并识别出27—60?和120—485?波段范围内低价钼离子(Mo⁴⁺-Mo¹⁷⁺)的多条谱线(MoⅤ-MoⅩⅧ...     

HL-2A装置送气和加料的脱靶特性

HL-2A装置辐射偏滤器实验采用边缘补充送气和分子束加料等方法来提高主等离子体密度,降低边缘等离子体温度、增加辐射功率分额,获得脱靶等离子体。偏滤器室内进行主动补充送气或者注入惰性气体杂质,降低偏滤器等离子体温度,获得脱靶等离子体,并首次获得了超声分子束注入产生脱靶等离子体的实验结果。利用HL-2A装置偏滤器同一极向截面内外中性化板上安装的嵌入式探针阵列和偏滤器室安装的电动探针系统,测量了偏滤器靶板上和偏滤器室的等离子体参数及其分布,并进行了相关分析和改善约束以及偏滤器脱靶等离子体运行模式下等离子体行为的研究。     

CFETR不同位置充气下的辐射偏滤器模拟研究

利用边缘等离子体数值模拟程序SOLPS对氩杂质注入下中国聚变工程试验堆装置辐射偏滤器运行模式进行了模拟研究。在达到相同的总辐射功率(P_rad~170MW)时，四种不同充气方案下(从上游充入氘氩混合气体，从外偏滤器充入氘氩混合气体，从内偏滤器充入氘氩混合气体，从上游充入氘气的同时从外偏滤器充入氩气) 在外中平面的模拟区域内边界(ρ=0.9)处的有效离子电荷数Zeff分别为2.8、3.1、3.4、2.7。模拟结果与DIII-D及C-MOD的实验结论一致。当从上游充入氘气时，可以增强刮削层中的本底等离子体流，从而得到相对更好的杂质屏蔽效果；同时由于偏滤器靶板再循环杂质源占主导作用，注入氩气的位置对于模拟结果影响不大。     

间接驱动内爆靶丸示踪元素Ar发射X光谱线的理论模拟研究

惯性约束聚变内爆物理研究中, 示踪元素X光谱线诊断方法是推测内爆压缩温度、密度以及燃料混合的有效办法, 因此, 对示踪元素X光发射的规律及其与内爆过程的关系的研究非常必要, 有助于通过谱线发射特征诊断内爆状态. 以SGIII原型装置的实验条件下的内爆过程为例, 对内爆靶丸示踪元素Ar发射X光谱线进行了理论模拟. 研究了谱线自吸收效应、Ar掺杂浓度、等离子体空间分布不均匀等对Ar发射的X光谱线分布的影响. 还对Ar发射X光谱线强度的时间演化及其与内爆过程的关系进行了研究. 结果表明, 增加掺杂浓度, 谱线强度增强, 但是谱线自吸收效应的影响也明显增强. 示踪元素Ar发射的X光谱线强度的峰值时刻与中子产生速率的峰值时刻接近(前者延迟约15 ps). 高温、高密度及合适的电离度是谱线发射的3个条件, 在X光谱线发射的峰值时刻, 由于燃料芯部Ar等离子体过电离, Ar等离子体发射的X光谱线的空间峰值区域靠近燃料边界区域, 占燃料总体积56%的薄壳(厚度～4 μm), 其发射的X光谱线强度约为总强度的72%. 因此, 对发射谱线分布拟合得到的空间平均的等离子体温度、密度主要反映这一区域的等离子体状态.     

纳秒激光诱导紫铜黄铜等离子体特征参数的对比研究

基于1064 nm Nd:YAG激光器,对比研究了紫铜和黄铜等离子的特征参数。洛仑兹函数拟合Cu I 324.75 nm得到紫铜和黄铜等离子体的电子密度分别是3.61017 cm-3和3.31017 cm-3。为了减小谱线自发辐射跃迁几率不确定性和测量误差带来的计算误差,采用改进型迭代玻耳兹曼算法精确求解紫铜等离子体和黄铜等离子体的电子温度分别是6316 K和6051 K,分析表明,两种等离子体特征参数的差异主要是由于黄铜中的锌元素的电离能（9.39 eV）大于铜元素的电离能（7.72 eV）而造成的。实验数据证实激光诱导的紫铜和黄铜等离子体满足局部热力学平衡模型和光学薄模型。     

用屏蔽法计算较轻元素原子的高次电离能

考虑到离子的相对论效应,依据屏蔽方法,给出了原子第2、1壳层电子电离能的一种表达式.依据较轻元素原子低次(小于13)电离能实验数据,总结出原子(离子)电离第2、1壳层不同电子态电子时,相应的屏蔽系数与电子态及原子序数的函数关系,根据该函数关系,可求出相应原子的高次电离电子的屏蔽系数.计算了原子序数13至23的元素高电荷态离子基态电离能,计算结果与文献可提供的实验数据相符合.     

HL-2A装置偏滤器位形超声分子束注入深度观测

用22道Hα辐射测量阵列观测了HL-2A装置偏滤器位形超声分子束的注入过程。观测结果表明：在HL-2A装置偏滤器位形下,当分子束注入气源压强大于1MPa时,Hα辐射沿径向分布存在两个峰值,其第二个Ha辐射峰值位于r/a~0.8附近,表明大部分氢粒子在等离子体边缘(SOL区域)即被离解或电离,但仍有部分氢粒子沉积在分界面内5cm。     

EAST辐射偏滤器充气系统改造及初步实验结果

介绍了EAST偏滤器充气系统的改进措施,压电阀与冷屏一起安装在EAST颈管中,以缩短充气管道,将充气系统的延迟时间减少约200ms。冷屏起冷却阀门并屏蔽电磁场的作用。讨论了在准稳态条件下,延迟时间给偏滤器热流反馈控制带来的负面效应。在中性束加热条件下,通过在外靶板注入Ar/D2(1:4)混合气体研究了靶板离子饱和流和热流分布的变化及充气对主等离子体的影响,得到了靶板离子饱和流显著降低、热流减少的结果。     

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介绍了EAST偏滤器充气系统的改进措施,压电阀与冷屏一起安装在EAST颈管中,以缩短充气管道,将充气系统的延迟时间减少约200ms。冷屏起冷却阀门并屏蔽电磁场的作用。讨论了在准稳态条件下,延迟时间给偏滤器热流反馈控制带来的负面效应。在中性束加热条件下,通过在外靶板注入 Ar/D2(1：4)混合气体研究了靶板离子饱和流和热流分布的变化及充气对主等离子体的影响,得到了靶板离子饱和流显著降低、热流减少的结果。     

Radiative divertor behavior and physics in Ar seeded plasma on EAST

To investigate the radiative divertor behavior and physics for the scenario of impurity seeded plasma in ITER, the radiative divertor experiments with argon(Ar) seeding under ITER-like tungsten divertor condition were carried out during recent EAST campaigns. The experimental results reveal the high efficiency of reducing heat load and particle flux onto the divertor targets owing to increased radiation by Ar seeding. We achieve detached plasmas in these experiments. The inner–outer divertor asymmetry reduces after Ar seeding. Impurities, such as Ar, C, Li, and W, exist in the entire space of the vacuum chamber during EAST operations, and play important roles in power exhausting and accelerating the plasma detachment process. It is remarkable that the contamination of the core plasma is observed using Ar seeding owing to the sputtering of plasma facing components(PFCs), particularly when Ar impurity is injected from the upper tungsten divertor.     

FEB-E动态气靶偏滤器的研究

在ＦＥＢ－Ｅ设计阶段,偏波器从开放式固定板靶优化为封闭式气体靶,以改善偏滤器的杂质控制和增加离子与气体的相互作用,通过喷气和注入杂质获得的部分脱靶等离子体形成了动态气体靶,喷气能降低删削层（ＳＯＬ）处等离子体温度,沪入的杂质增加了ＳＯＬ处的辐射功率,使靶板的负载降低,用ＮＥＷＴ１Ｄ编码模拟了ＳＯＬ处等离子体和杂质（硼杂质）的输运,得到了杂质、等离本温度和等离了体密度分布。着眼于杂质的滞留物辐射,优     

EAST快速极紫外光谱仪波长的原位标定及其应用

介绍了东方超环(experimental advanced supereonducting tokamak, EAST)托卡马克上的两套快速极紫外（EUV）光谱仪系统波长的原位标定方法、结果及其应用。这两套谱仪均为掠入射平场谱仪，时间分辨均为5 ms·frame-1。两套谱仪分别工作在20～500和10～130 Å的波段范围，由步进电机控制探测器在焦平面上移动实现整个观测波段上的波长扫描。利用这两套谱仪系统观测极紫外波段光谱，计算EAST中低-高Z杂质离子特征线辐射强度随时间的演化，监测和研究等离子体中杂质的行为。高Z杂质尤其是钨、钼等金属元素，发出的EUV波段光谱的构成非常复杂，准确识谱对谱仪精确的波长测量能力以及谱分辨能力要求很高，因此精确的波长标定是识别钨、钼等高Z杂质谱线以及研究它们行为的最关键的技术之一。利用EAST等离子体中类氢到类铍的低、中Z杂质的特征谱线以及它们的二阶甚至三阶谱线，结合谱仪系统的色散能力，对这两套快速极紫外光谱仪的波长进行了精确的原位标定。用于波长标定的杂质谱线有O Ⅷ 18.97 Å，O Ⅶ 21.60 Å，C Ⅵ 33.73 Å，Li Ⅲ 113.9 Å，Li Ⅲ 135.0 Å，Li Ⅱ 199.28 Å，Ar ⅩⅤ 221.15 Å，He Ⅱ 256.317 Å，He Ⅱ 303.78 Å，Ar ⅩⅥ 353.853 Å及C Ⅳ 384.174 Å等。利用波长标定的结果对观测到的EUV光谱进行谱线识别，两套谱仪观测到的绝大多数谱线波长与美国技术标准局(National Institute of Standards and Technology, NIST)数据库的标准波长相差分别小于0.08和0.03 Å。开发了谱仪波长原位标定程序模块，将这个模块内嵌到谱仪数据实时上传的交互式软件中，实现了全谱数据以及特征谱线强度随时间演化数据的实时处理和上传。同时利用开发的全谱分析交互式软件以及EAST上的数据查看软件，最终实现了快速EUV谱仪自采数据的准实时分析、读取和查看。     

HT6M托卡马克电荷交换复合辐射的测量

 利用光学多道分析仪和单道近紫外系统分别测量了HT6M托卡马克C Ⅵ(207.1nm) 谱线线形分布和时间行为。通过对CⅥ谱线线形和时间行为的分析表明CⅥ谱线来源于电荷交换复合辐射。     

Study of multiple impurity seeding effect using SONIC integrated divertor code for JT-60SA plasma prediction

In order to study the potential impurity seeding operation regime of the future fusion devices, the first application of the integrated divertor code SONIC to the Ar + Ne mixed-impurity seeding operation of JT-60SA steady-state high-β plasma has been carried out. In the case, Ne is added to Ar-only seeding, the separatrix electron density has fell into the desired low separatrix electron density of the scenario. This is mainly because the D⁺ flow velocity towards the inner divertor has been increased by the Ne seeding. The resultant friction force transports Ar impurities towards the inner divertor region, while impurities are stagnated in the top of scrape-off layer (SOL) in the Ar-only seeding case. The higher impurity radiation power in the divertor regions and lower one in the SOL region above the X point have been obtained in mixed-impurity seeding cases, which show similar tendency as the Ar + Ne mixed-impurity seeding experiment in JT-60 U. At the core edge, Z_eff has been slightly increased and the radiation power has been decreased as the Ne seeding rate increases. The core plasma/impurity transport has been also evaluated by the TOPICS code using the impurity density at the core edge computed by the SONIC as a boundary parameter. The results show lower Z_eff and radiation power, and higher electron temperature in the core in the mixed-impurity seeding cases. Above possible contributors to the better energy confinement indicate that the mixed-impurity seeding operation might be more effective than Ar-only seeding operation.     

The 4s~24p~3—4s4p~4 transition in Cd ⅩⅥ

The available experimental energies for the 4s~24p~3 and 4s~4p~4 configurations in As Ⅰ—like Sr Ⅵ—Ag Ⅹ Ⅴions are compared with the values calculated using the Hartree—Fock method including configuration interaction and relativistic corrections. Some energy values of the 4s~24p~3 configuration in Rh Ⅹ Ⅲ、Pd Ⅹ Ⅳ and Ag Ⅹ Ⅴ ions are improved and all the energies、wavelengths and transition probabilities of the 4s~24p~3—4s4p~4 transition array in Cd Ⅹ Ⅵ are presented.