HL?2A裝置中雜質離子溫度與旋轉速度的時間分布

摘 要： 在大、中型托卡馬克裝置中，依賴于中性束注入的電荷交換復合光譜診斷（CXRS）可以方便的測得雜質離子的濃度、溫度以及環向旋轉速度等參數。通過電荷交換復合光譜診斷（CXRS）系統對西南核工業物理研究所HL?2A裝置進行光譜信息的采集，得到了第19591炮第8道的數據，通過Matlab程序對數據進行分析得出離子溫度以及環向旋轉速度的時間分布，從結果中可以看出，離子溫度以及旋轉速度的時間分布與中性束注入的功率變化趨勢基本一致。

關鍵詞： 電荷交換復合光譜； 最小二乘法； 離子溫度； 環向旋轉速度； 時間分布

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）21?0138?03

0 引 言

電荷交換復合光譜（CXRS）是粒子診斷和光譜診斷的綜合，電荷交換復合光譜在可見光區，光學系統比較容易設計。在高溫等離子體中可以直接利用雜質在可見光區的輻射如CVI（529.5 nm）、OIX（607.0 nm）和HeII（468.6 nm）等進行測量。因此通過電荷交換復合光譜（CXRS）可以方便的測得雜質離子溫度、密度和旋轉速度。

1 實驗原理

電荷交換復合光譜診斷主要依賴于中性束注入等離子體后與離子發生電荷交換反應，使離子成為類氫原子；該類氫原子（離子）處于高能態的電子向低能態躍遷時輻射的光譜。如下式所示：

[H0b+An+→H+b+A（n-1）*+]

式中：下標[b]代表中性束粒子；[A]指代等離子體中的雜質如碳、氧以及氦等。

譜線的強度和寬度是譜線的主要特性。在等離子體中，存在許多因素使譜線發生展寬，主要包括自然展寬，多普勒展寬以及碰撞展寬等。

在高密度和低溫的氣體輻射條件下，多普勒展寬效應會不如碰撞展寬效應明顯，譜線的線型近似為洛倫茲型；當輻射源處于低氣壓的輻射條件時，多普勒展寬比碰撞展寬和自然展寬會多兩個數量級，因此譜線的線型近似為高斯型。所以用高斯函數對實驗數據進行擬合[1]。

由于多普勒效應直接與離子（或原子）的運動有關，因此可以用來測量粒子的運動情況。而且，假如離子（或原子）的運動速度符合麥克斯韋分布，線光譜近似為為高斯型。通過測出線譜輪廓的半高全寬度，就可以由下式直接求得離子（或原子）溫度[1]。

[kTi=1.7×108AΔλD12λ02]

式中：[A]為所測原子（或離子）的原子量；[λ0]代表CVI譜線的中心波長；[ΔλD12]代表擬合的CVI譜線的波長半高全寬度；[kTi]的單位為eV。

若中性束沿大環切線方向注入到設備當中，那么根據多普勒頻移就可以得到旋轉速度的公式。

[Vrot=cΔλrotλ0]

式中：[Vrot]代表等離子體環向旋轉速度；c代表光速；[Δλrot]代表擬合的CVI譜線的多普勒頻移；[λ0]代表CVI譜線的中心波長。

2 實驗設備

一個完整的CXRS診斷設備由標定系統、成像系統、光傳輸、光電探測系統和分光系統五個部分組成，診斷系統如圖1所示[1]。

實驗放電時，裝置中的高溫等離子體發生聚變反應，產生的光經過光纖傳輸到光譜儀上，經過光譜儀的入射狹縫將接收到的光傳輸到光柵上，光柵將接收到的光進行分光形成光譜后，光強信號通過CCD相機以后轉化為電信號，將得到的電信號傳送到計算機上，通過Andor SOLIS軟件得到所要的光譜信息。

3 實驗結果

診斷系統總共有13道觀察窗口（即13根光纖），本文中選用第八道的數據進行分析，通過Matlab程序得出相應的離子溫度以及環向旋轉速度。由于HL?2A托卡馬克裝置在放電過程中C雜質可以提供測量所需的足夠強度的信號，因此選CVI（n=8→7）529 nm電荷交換復合光譜進行擬合。

首先啟動設備以及計算機，設定Andor SOLIS軟件的相關參數，包括光譜儀的型號，光柵刻線數，需要采集的波段以及曝光時間等參數。

然后通過Andor SOLIS軟件獲得CCD相機傳送過來的19591炮的電信號，繪制出如圖2所示的光譜圖。

最后通過Andor SOLIS軟件將CCD相機傳送過來的電信號轉換成.asc格式的文件導出，通過Matlab程序讀取.asc格式的文件以及對初值的確定，得出擬合曲線，如圖3所示為第28幀CVI譜線圖中各成分的含量，最后通過程序計算出離子的溫度以及旋轉速度，由圖4，圖5以及圖6的比較可以看出離子溫度以及旋轉速度隨時間的變化趨勢與中性束注入功率的變化趨勢大致相同。

4 結 論

通過對西南核工業物理研究院第19591炮第8道的數據進行分析，得出了第8道中離子溫度以及環向速度隨時間的變化趨勢與中性束注入功率的變化趨勢基本一致。說明本文采用的方法能夠很好地反映離子溫度以及環向旋轉速度隨時間的變化趨勢，這對ITER計劃具有深遠的意義。

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