極紫外波段Ar光譜分析在EAST偏濾器雜質(zhì)屏蔽效應(yīng)研究中的應(yīng)用

張鵬飛，張 凌，許 棕，段艷敏，吳承瑞，黃 娟，吳振偉，郭后揚, 3，胡立群

1. 中國科學(xué)院等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031

2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院科學(xué)島分院，安徽 合肥 230031

3. General Atomics, P.O. Box 85608, San Diego, California 92186, USA

極紫外波段Ar光譜分析在EAST偏濾器雜質(zhì)屏蔽效應(yīng)研究中的應(yīng)用

張鵬飛1, 2，張 凌1*，許 棕1, 2，段艷敏1，吳承瑞1, 2，黃 娟1，吳振偉1，郭后揚1, 3，胡立群1

1. 中國科學(xué)院等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031

2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院科學(xué)島分院，安徽 合肥 230031

3. General Atomics, P.O. Box 85608, San Diego, California 92186, USA

在托卡馬克偏濾器區(qū)域充入雜質(zhì)氣體是檢驗偏濾器雜質(zhì)屏蔽效應(yīng)的重要手段。利用快速極紫外EUV光譜儀對EAST托克馬克裝置上開展的偏濾器Ar雜質(zhì)注入實驗進(jìn)行觀測。結(jié)合NIST原子光譜數(shù)據(jù)庫對2～50 nm范圍內(nèi)不同電離態(tài)Ar的線光譜進(jìn)行了譜線識別，識別出Ar Ⅳ，Ar Ⅸ-Ⅺ，Ar ⅩⅣ-ⅩⅥ等若干個電離態(tài)的譜線。為了同時觀測等離子體不同區(qū)域的Ar雜質(zhì)行為，在雜質(zhì)注入實驗時重點監(jiān)測Ar ⅩⅥ35.39 nm(Ar ⅩⅥ電離能918.4 eV，主要分布在等離子體芯部)和Ar Ⅳ44.22 nm(Ar Ⅳ電離能9.6 eV，主要分布在等離子體邊界)這兩條譜線。利用該兩條譜線強度隨時間演化的結(jié)果初步分析了偏濾器雜質(zhì)屏蔽效應(yīng)。在同一充氣口不同等離子體位形下的實驗結(jié)果表明偏濾器對于從偏濾器區(qū)域注入Ar雜質(zhì)的屏蔽效果優(yōu)于從主等離子體區(qū)域注入，并且下偏濾器及內(nèi)冷泵的綜合粒子排除能力優(yōu)于上偏濾器。

Ar極紫外光譜； EAST托克馬克； 偏濾器； 雜質(zhì)屏蔽

引 言

在現(xiàn)代磁約束核聚變托克馬克裝置中，偏濾器是隔絕等離子體與壁相互作用的重要結(jié)構(gòu)。其最初目的和首要任務(wù)是把等離子體與雜質(zhì)強烈作用的區(qū)域移到遠(yuǎn)離主等離子的區(qū)域，阻止雜質(zhì)進(jìn)入主等離子體區(qū)，從而產(chǎn)生偏濾器雜質(zhì)屏蔽、滯留的效果； 同時也具有功率分散，和排除氦灰的重要作用[1]。

在偏濾器區(qū)域進(jìn)行氣態(tài)雜質(zhì)注入實驗，可以靈活控制充氣速率、脈寬和充氣位置以研究影響偏濾器雜質(zhì)屏蔽的這些重要因素。注入的雜質(zhì)可以分為再循環(huán)雜質(zhì)和非再循環(huán)雜質(zhì)。AlcatorC-MOD托克馬克上的實驗與模擬結(jié)果表明在高參數(shù)情況下非再循環(huán)雜質(zhì)的偏濾器屏蔽效果依賴于充氣位置，而再循環(huán)雜質(zhì)的屏蔽效果與充氣位置無關(guān)[2-3]。氬氣(Ar)是再循環(huán)雜質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)不活潑。在偏濾器區(qū)域的充氣口注入后，以中性粒子的壓強梯度力作用下擴(kuò)散，隨后電離為Ar離子，大部分滯留在偏濾器區(qū)域，少部分沿著刮削層進(jìn)入主等離子體區(qū)域。其不同電離態(tài)在等離子體中的分布由Ar電離平衡過程所決定，而后者則是由等離子體的溫度、密度分布以及Ar在等離子體中的輸運特性所決定。分布于偏濾器區(qū)域的Ar原子、主等離子體邊界和中心的低階到高階電離態(tài)Ar離子會發(fā)射出從可見波段到軟X射線波段范圍的線輻射。利用EAST(experimental advanced superconducting tokamak, EAST)上新安裝的快速極紫外(extreme ultraviolet, EUV)波段光譜儀觀測2～50 nm波段范圍內(nèi)的譜線。結(jié)合NIST(national institute of standards and technology, NIST)原子光譜數(shù)據(jù)庫對該波段范圍內(nèi)不同電離態(tài)的Ar線光譜進(jìn)行了譜線識別，并通過比較Ar ⅩⅥ 35.39 nm, Ar Ⅳ 44.22 nm這兩條譜線強度隨時間的演化初步分析了EAST偏濾器對Ar雜質(zhì)的屏蔽效應(yīng)。

本文第一部分將簡要介紹EAST托克馬克裝置及快速EUV譜儀系統(tǒng)； 第二部分對Ar線光譜進(jìn)行譜線識別，并在此基礎(chǔ)上分析偏濾器雜質(zhì)屏蔽效應(yīng)； 第三部分為總結(jié)。

1 實驗裝置

1.1 EAST托克馬克裝置

EAST托卡馬克裝置[4]是全超導(dǎo)托克馬克裝置。大半徑1.85 m，小半徑0.45 m，縱場3.5 T，可靈活控制極向場進(jìn)行限制器位形和上單零、下單零、雙零偏濾器位形實驗，是驗證ITER高功率長脈沖穩(wěn)態(tài)運行的重要實驗平臺之一。2014年度EAST將石墨上偏濾器升級為鎢銅塊結(jié)構(gòu)，第一壁和下偏濾器分別保持為鉬和石墨[5]。以鋰化為主要的壁處理手段，上下偏濾器還分別安裝有內(nèi)置式低溫泵(簡稱內(nèi)冷泵)，增強抽氣能力。EAST還發(fā)展了多個輔助加熱系統(tǒng)，包括2.45和4.6 GHz低雜波電流驅(qū)動與加熱系統(tǒng)、離子回旋加熱系統(tǒng)和中性束注入系統(tǒng)。EAST上下偏濾器內(nèi)外靶板和DOME各有充氣口，充氣閥門開閉由壓電閥控制[6-7]，位置如圖1所示。

圖1 EAST真空室、充氣口位置、下單零位形和快速EUV光譜儀的觀測范圍

A—F依次為下偏濾器外靶板、DOOM、內(nèi)靶板和上偏濾器內(nèi)靶板、DOME、外靶板充氣口位置； 藍(lán)線內(nèi)為EUV觀測區(qū)域； 綠線為分界線

Fig.1 Vacuum vessel, Divertor puffing location, Lowersingle-null configuration of EAST and viewing region of fast-response EUV spectrometer on EAST

The divertor gas puffing locations at (A) lower outer target, (B) lower DOME, (C)lower inner target, (D) upper inner target, (E) upper DOME, (F)upper outer target. EUV viewing region is inside the two blue line. The last closed magnetic surface is shown in green line

1.2 快速EUV光譜儀系統(tǒng)

實驗中利用2014年新搭建的時間分辨為5 ms的快速EUV光譜儀系統(tǒng)對Ar譜線進(jìn)行觀測。該譜儀系統(tǒng)安裝在EAST水平D窗口，結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括： 法蘭延伸管和支撐、CF63超真空插板閥、EUV譜儀、譜儀可調(diào)節(jié)支架和分子泵機組等。實驗觀測區(qū)域如圖1所示。該快速EUV譜儀與EAST已有的兩套有空間分辨的EUV光譜儀[8]結(jié)構(gòu)類似，均為掠入射平場成像光譜儀。入射狹縫寬度為30 μm，入射角為87°，采用中心線密度為1 200·mm-1的變柵距層狀刻蝕凹面全息光柵。探測器為高能段背照式CCD，像素點為1 024×256，感光面大小為26.6 mm×6.6 mm。譜儀安裝有一個激光器用作光路準(zhǔn)直。分子泵機組將譜儀系統(tǒng)的真空度維持在10-5Pa量級。CCD被一個步進(jìn)電機控制可以沿著譜儀的聚焦面移動而改變觀測的波段范圍。實驗中CCD位置改變?nèi)?觀測范圍分別為2～14, 10～28 和26～50 nm)可得到2～50 nm范圍的全譜。利用CCD的FVB(Full Vertical Binning)采集模式和高讀出率，采集和保存一幅譜僅需5 ms。步進(jìn)電機控制軟件和CCD采集軟件均被安裝在譜儀旁的工控機中。在實驗過程中，通過遠(yuǎn)程控制EAST大廳中的這臺工控機來控制CCD的移動和數(shù)據(jù)的采集和存儲。利用EAST等離子體本征輕雜質(zhì)Li，C，N，O等線光譜對快速EUV譜儀的波長進(jìn)行標(biāo)定。

圖2 快速EUV光譜診斷系統(tǒng)示意圖

2 結(jié)果與討論

選擇EAST實驗期間有Ar充氣且觀測范圍不同的三炮： #51870(觀測范圍為2～14 nm), #51052(觀測范圍為10～28 nm)和#52353(觀測范圍為26～50 nm)來進(jìn)行譜線識別。EUV譜儀測量結(jié)果如圖3所示。表1比較了快速EUV譜儀Ar譜線的波長測量結(jié)果和其他裝置及NIST原子光譜數(shù)據(jù)庫中實驗測量結(jié)果[9-10]，并列出了各條譜線基態(tài)和激發(fā)態(tài)等數(shù)據(jù)。從表1可以看出，對于絕大多數(shù)Ar譜線，快速EUV譜儀波長測量結(jié)果與數(shù)據(jù)庫吻合的很好，相差小于0.008 nm，僅Ar Ⅳ 44.22 nm這條譜線與數(shù)據(jù)庫相差0.02 nm。這是因為在較長波長范圍，譜儀線色散較大。如表1所示，在Ar充氣條件下，EUV譜儀可以觀測到Ar Ⅳ, Ar Ⅸ-Ⅺ, Ar ⅩⅣ-ⅩⅥ等若干個電離態(tài)的譜線。但是3～5 nm波段范圍內(nèi)的Ar Ⅸ-Ⅹ譜線容易與鎢在該波段的準(zhǔn)連續(xù)譜重疊，不利于雜質(zhì)充氣實驗分析。ArⅣ電離能59.6 eV，主要分布在等離子體邊界； Ar ⅩⅥ電離能918.4 eV，主要分布在等離子體芯部。為了同時觀測等離子體不同區(qū)域的Ar雜質(zhì)行為，我們在雜質(zhì)注入實驗時將EUV的觀測范圍設(shè)置為26～50 nm，重點監(jiān)測Ar ⅩⅥ35.39和Ar Ⅳ44.22 nm這兩條譜線的強度隨時間的變化。

表1 識別出的Ar譜線列表(*引用自文獻(xiàn)[10])

圖3 快速EUV譜儀測量結(jié)果

(a): 2～14 nm范圍，#51780炮，t=4.1 s,Te(0)=0.6 keV, 〈ne〉=2.5×1019m-3; (b)： 10～28 nm范圍, #51052炮,t=2.8 s,Te(0)=0.8 keV, 〈ne〉=2.4×1019m-3; (c)： 26～50 nm范圍, #52353炮,t=4.9 s,Te(0)=2.2 keV, 〈ne〉=3.0×1019m-3

Fig.3 Ar spectra measurement in three wavelength ranges

(a)： 2～14 nm, #51780,t=4.1 s,Te(0)=0.6 keV, 〈ne〉=2.5×1019m-3; (b)： 10～28 nm, #51052,t=2.8 s,Te(0)=0.8 keV, 〈ne〉=2.4×1019m-3; (c)： 26～50 nm, #52353,t=4.9 s,Te(0)=2.2 keV, 〈ne〉=3.0×1019m-3

比較下偏濾器外靶板充氣口(即圖1中的A位置)不同偏濾器位形下的Ar充氣實驗。#51884炮為下偏濾器(lower single-null，LSN)位形，#51885為上偏濾器(upper single-null，為USN)位形，其他實驗參數(shù)和等離子體參數(shù)均相同： 縱場Bt=2.3 T，電流Ip=400 kA，弦平均電子密度〈ne〉=2.2×1019m-3。氬氣在4 s注入，脈寬為70 ms，充入Ar總粒子數(shù)約為1.58×1019個。等離子體參數(shù)和充氣后譜線強度隨時間演化如圖4所示。

圖4 #51885炮 (USN)和#51884炮 (LSN)等離子體參數(shù)和充氣后譜線強度隨時間演化，4 s充氣，充氣脈寬70 ms

(a): 等離子體電流Ip； (b)： 電子弦平均密度〈ne〉； (c): 芯部電子溫度Te(0)； (d): Ar ⅩⅥ 35.39 nm； (e): Ar Ⅳ 44.22 nm; (f): Ar ⅩⅥ 35.39 nm和Ar Ⅳ 44.22 nm強度比

Fig.4 Time history of plasma parameters of #51885 (USN) and #51884 (LSN) and time evolution of line intensity and ratio after Ar injected from lower outer target at 4 s for 70 ms; The duration of Ar injection is shown in dashed lines(70 ms)

(a): Plasma currentIp; (b): The line-averaged electron density 〈ne〉; (c): Core electron temperatureTe(0); (d): Ar ⅩⅥ 35.39 nm; (e): Ar Ⅳ 44.22 nm; (f): Ratio of Ar ⅩⅥ 35.39 nm to Ar Ⅳ 44.22 nm

雜質(zhì)的線輻射強度與雜質(zhì)離子本身的濃度成正比，并與譜線的光子發(fā)射系數(shù)相關(guān)。光子發(fā)射系數(shù)是由等離子體溫度和密度決定的。在背景等離子體溫度和密度不變的情況下，可以認(rèn)為譜線的線輻射強度變化反映了雜質(zhì)離子濃度的變化。如圖4所示，兩種位形下，Ar Ⅳ線強度從充氣開始后約90 ms開始上升，在360 ms左右達(dá)到最大值，之后開始緩慢下降, 衰減時間約1 200 ms。而Ar ⅩⅥ線強度從充氣開始后約100 ms開始上升，約400 ms達(dá)到最大值并開始緩慢下降，衰減時間約1 100 ms。說明Ar在充氣管道里的擴(kuò)散及輸運至等離子體邊界的時間和為90 ms，Ar從等離子體邊界輸運至中心的時間約為10 ms，邊界的Ar相比中心等離子體的Ar更難被排除。從圖4中可以看出，上單零位形(#51885炮)充氣后相同時刻Ar Ⅳ和Ar ⅩⅥ線強度以及Ar ⅩⅥ/Ar Ⅳ線強度比均高于下單零位形(#51884炮)。說明下偏濾器外靶板充氣口注入Ar時，上單零位形下更多的Ar粒子進(jìn)入等離子體邊界和芯部。圖5所示為64道輻射量熱陣列測量到的Ar注入前后輻射功率時空演化圖[11]?？梢钥闯?，充氣后上單零位形下主等離子體的輻射功率明顯高于下單零位形下主等離子體區(qū)的輻射功率，說明下偏濾器外靶板充氣口注入Ar時，下單零位形的屏蔽效應(yīng)優(yōu)于上單零位形。而兩種位形下Ar注入后上半等離子體的總輻射均明顯高于下半等離子體，且Ar注入前下單零位形輻射量熱測量區(qū)域的下偏濾器本底輻射明顯低于上單零位形輻射量熱測量區(qū)域的上偏濾器本底輻射，說明EAST下偏濾器結(jié)構(gòu)本身的粒子屏蔽效應(yīng)及內(nèi)冷泵的粒子排除的綜合能力優(yōu)于上偏濾器。

圖5 偏濾器下偏濾器外靶板充氣口(即圖1中的A位置)充Ar氣后輻射功率演化，4 s充氣，充氣脈寬70 ms

(a): #51885上單零位形； (b): #51884下單零位形；Y軸為快速輻射量熱陣列各道觀察弦在R=1.85 m時的Z值，黑色虛線劃分主等離子體區(qū)域和上下偏濾器區(qū)域

Fig.5 The contour map of radiative brightness after Ar injection from lower outer target(location A in Fig. 1) at 4 s for 70 ms

(a)： #51885USN； (b)： #51884LSN (Yaxis in this figure show theZvalue atR=1.85 m for each viewing chord of fast bolometer). Black dotted lines are dividing line between lower divertor or upper divertor and main plasma

當(dāng)?shù)入x子體為下偏濾器位形時，在下偏濾器注入雜質(zhì)相當(dāng)于從偏濾器區(qū)域注入雜質(zhì)； 而當(dāng)?shù)入x子體為上單零位形時，在下偏濾器注入雜質(zhì)相當(dāng)于從主等離子體區(qū)域注入雜質(zhì)。不同位形下，在下偏濾器內(nèi)靶板、DOME和上偏濾器外靶板充氣口(上偏濾器內(nèi)靶板、DOME充氣口2014年暫不可用)注入Ar均得到相同的結(jié)論，即偏濾器對于從偏濾器區(qū)域注入Ar雜質(zhì)的屏蔽效果優(yōu)于從主等離子體注入。偏濾器區(qū)域背景等離子體參數(shù)比較高，Ar氣從偏濾器注入后大部分粒子迅速被電離成低階電離態(tài)Ar離子，受到摩擦力和離子溫度梯度力，合力指向偏濾器方向被屏蔽在偏濾器區(qū)域，少量離子跨越磁力線進(jìn)入主等離子體。而在主等離子體雜質(zhì)注入?yún)^(qū)域，背景等離子體參數(shù)較低，Ar氣從注入后以中性粒子的壓強擴(kuò)散為主，大部分粒子直接進(jìn)入主等離子體被電離，繼而被約束在主等離子體中，較難被排除。

3 結(jié) 論

利用快速極紫外(EUV)光譜儀對EAST托克馬克裝置上開展的偏濾器Ar雜質(zhì)注入實驗進(jìn)行觀測。結(jié)合NIST原子光譜數(shù)據(jù)庫對2～50 nm范圍內(nèi)不同電離態(tài)的Ar線光譜進(jìn)行了譜線識別，識別出Ar Ⅳ, Ar Ⅸ-Ⅺ, Ar ⅩⅣ-ⅩⅥ等若干個電離態(tài)的譜線。利用Ar光譜強度隨時間演化的觀測結(jié)果初步分析了偏濾器雜質(zhì)屏蔽效應(yīng)。在同一充氣口不同等離子體位形下的實驗結(jié)果表明EAST偏濾器對于從偏濾器區(qū)域注入的Ar雜質(zhì)的屏蔽效果優(yōu)于從主等離子區(qū)域注入。且EAST下偏濾器結(jié)構(gòu)本身的粒子屏蔽效應(yīng)及內(nèi)冷泵的粒子排除的綜合能力優(yōu)于上偏濾器。下一步工作計劃是結(jié)合實驗和模擬對偏濾器的雜質(zhì)屏蔽效應(yīng)進(jìn)行定量研究，并且進(jìn)一步研究EAST不同實驗條件下上下偏濾器對碳、鎢等主要本征雜質(zhì)的屏蔽效應(yīng)。

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(Received May 16, 2015; accepted Oct. 5, 2015)

*Corresponding author

Application of Extreme-Ultraviolet Ar Spectra Analysis in the Study of Divertor Impurity Screening in EAST Tokamak

ZHANG Peng-fei1, 2, ZHANG Ling1*, XU Zong1, 2, DUAN Yan-min1, WU Cheng-rui1, 2, HUANG Juan1，WU Zhen-wei1, GUO Hou-yang1, 3, HU Li-qun1

1. Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China

2. Science Island Branch of Graduate School, University of Science and Technology of China, Hefei 230031, China

3. General Atomics, P.O. Box 85608, San Diego, California 92186, USA

Divertor impurity injection on Tokamak is the most important means to achieve divertor impurity screening efficiency. In this paper, a fast-response extreme-ultraviolet (EUV) spectrometer is used to monitor the Ar emission lines during the EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)divertor Ar injection experiment. Based on the NIST(National Institute of Standards and Technology)atomic spectrum database, the emission lines from different ionized Ar ions in 2～50 nm wavelength range, e.g. Ar Ⅳ, Ar Ⅳ-Ⅺ and Ar ⅩⅣ-ⅩⅥ, are being identified. Ar ⅩⅥ 35.39 nm and Ar Ⅳ 44.22 nm with the ionization energy of 918.4 and 59.6 eV respectively are being monitored during the experiment with Ar puffing to observe the behavior of Ar impurities in different regions in plasmasimultaneously. The preliminary analysis on divertor impurity screening efficiency is carried outwith the time evolution of intensities of two Ar emission lines. The results of experiment puffing from the same gas puffing inlet (e. g. from lower outer target inlet) and withdifferent plasma configurations (e. g. lower single null, upper single null) show that the screening effect on the impurity injected from the divertor region is better thanfrom the main plasma region; the screening effect of lower divertor and particle pumping by internal cryopump installed in lower divertor is stronger than upper divertor.

Ar extreme ultraviolet spectra; EAST Tokamak; Divertor; Impurity screening

2015-05-16，

2015-10-05

國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項項目(2014GB124006)和國家自然科學(xué)基金項目(11305214, 11105181，11275231)資助

張鵬飛，1991年生，中國科學(xué)院等離子體物理研究所，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生 e-mail： pfzhang@ipp.ac.cn *通訊聯(lián)系人 e-mail: zhangling@ipp.ac.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)07-2134-05