阐述杂质HL?2A装置中杂质离子温度与旋转速度时间分布流程
最后更新时间：2024-03-14
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论文导读：（CXRS）是粒子诊断和光谱诊断的综合，电荷交换复合光谱在可见光区，光学系统比较容易设计。在高温等离子体中可以直接利用杂质在可见光区的辐射如CVI（529.5nm）、OIX（607.0nm）和HeII（468.6nm）等进行测量。因此通过电荷交换复合光谱（CXRS）可以方便的测得杂质离子温度、密度和旋转速度。1实验原理电荷交换复合光谱诊断
摘 要： 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。
关键词： 电荷交换复合光谱； 最小二乘法； 离子温度； 环向旋转速度； 时间分布
1004?373X（2013）21?0138?03
0 引 言
电荷交换复合光谱（CXRS）是粒子诊断和光谱诊断的综合，电荷交换复合光谱在可见光区，光学系统比较容易设计。在高温等离子体中可以直接利用杂质在可见光区的辐射如CVI（529.5 nm）、OIX（607.0 nm）和HeII（468.6 nm）等进行测量。因此通过电荷交换复合光谱（CXRS）可以方便的测得杂质离子温度、密度和旋转速度。
1 实验原理
电荷交换复合光谱诊断主要依赖于中性束注入等离子体后与离子发生电荷交换反应，使离子成为类氢原子；该类氢原子（离子）处于高能态的电子向低能态跃迁时辐射的光谱。如下式所示：
[H0b+An+→H+b+A（n-1）*+]
式中：下标[b]代表中性束粒子；[A]指代等离子体中的杂质如碳、氧以及氦等。
谱线的强度和宽度是谱线的主要特性。在等离子体中，存在许多因素使谱线发生展宽，主要包括自然展宽，多普勒展宽以及碰撞展宽等。
在高密度和低温的气体辐射条件下，多普勒展宽效应会不如碰撞展宽效应明显，谱线的线型近似为洛伦兹型；当辐射源处于低气压的辐射条件时，多普勒展宽比碰撞展宽和自然展宽会多两个数量级，因此谱线的线型近似为高斯型。所以用高斯函数对实验数据进行拟合。
由于多普勒效应直接与离子（或原子）的运动有关，因此可以用来测量粒子的运动情况。而且，假如离子（或原子）的运动速度符合麦克斯韦分布，线光谱近似为为高斯型。通过测出线谱轮廓的半高全宽度，就可以由下式直接求得离子（或原子）温度。
[kTi=
若中性束沿大环切线方向注入到设备当中，那么根据多普勒频移就可以得到旋转速度的公式。
[Vrot=cΔλrotλ0]
式中：[Vrot]代表等离子体环向旋转速度；c代表光速；[Δλrot]代表拟合的CVI谱线的多普勒频移；[λ0]代表CVI谱线的中心波长。
2 实验设备
一个完整的CXRS诊断设备由标定系统、成像系统、光传输、光电探测系统和分光系统五个部分组成，诊断系统如图1所示。
实验放电时，装置中的高温等离子体发生聚变反应，产生的光经过光纤传输到光谱仪上，经过光谱仪的入射狭缝将接收到的光传输到光栅上，光栅将接收到的光进行分光形成光谱后，光强信号通过CCD相机以后转化为电信号，将得到的电信号传送到计算机上，通过Andor SOLIS软件得到所要的光谱信息。
3 实验结果
诊断系统总共有13道观察窗口（即13根光纤），本文中选用第八道的数据进行分析，通过Matlab程序得出相应的离子温度以及环向旋转速度。由于HL?2A托卡马克装置在放电过程中C杂质可以提供测量所需的足够强度的信号，因此选CVI（n=8→7）529 nm电荷交换复合光谱进行拟合。
首先启动设备以及计算机，设定Andor SOLIS软件的相关参数，包括光谱仪的型号，光栅刻线数，需要采集的波段以及时间等参数。
然后通过Andor SOLIS软件获得CCD相机传送过来的19591炮的电信号，绘制出如图2所示的光谱图。
最后通过Andor SOLIS软件将CCD相机传送过来的电信号转换成.asc格式的文件导出，通过Matlab程序读取.asc格式的文件以及对初值的确定，得出拟合曲线，如图3所示为第28帧CVI谱线图中各成分的含量，最后通过程序计算出离子的温度以及旋转速度，由图4，图5以及图6的比较可以看论文导读：
出离子温度以及旋转速度随时间的变化趋势与中性束注入功率的变化趋势大致相同。
4 结 论
通过对西南核工业物理研究院第19591炮第8道的数据进行分析，得出了第8道中离子温度以及环向速度随时间的变化趋势与中性束注入功率的变化趋势基本一致。说明本文采用的方法能够很好地反映离子温度以及环向旋转速度随时间的变化趋势，这对ITER计划具有深远的意义。
参考文献
陈文章.托卡马克装置CXRS光谱分析[D].成都：电子科技大学，2011.
黄娟，万宝年，胡立群，等.电荷交换复合光谱诊断（CXRS）在HT?7托卡马克上的研究[C]//2005年中国物理学会秋季物理会议论文集.合肥：中国科学院等离子物理研究所，2005：159?163.
[3] 陈文章，姚列明.HL?2A装置上用电荷交换复合光谱测量等离子体温度[J].真空电子技术，2011（2）：21?23.
[4] 徐伟，万宝年.HT?6M托卡马克电荷交换符合辐射的测量[J].强激光与粒子束，1999，11（2）：225?228.
[5] 刘仔莉，姚列明.用多普勒频移光谱法测量HL?2A中性束能量成分[J].真空电子技术，2011（3）：35?37.
[6] BUSCHE E， EURINGER H， JASPERS R. Measurement of deuterium ion temperature profiles at TEXTOR?源于：论文参考文献www.7ctime.com
94 [J]. Plaa Physics and Controlled Fusion， 1997， 39（9）： 1327–1338.
[7] 韩晓玉，段旭如，杨立梅，等.HL?2A装置上CXRS诊断的系统设计[J].核聚变与等离子体，2011，31（3）：228?233.
[8] WU J， YAO L M， ZHU J H， et al. Profile measurement of ion temperature and toroidal rotation velocity with charge exchange recombination spectroscopy diagnostics in the HL?2A Tokamak [J]. Plaa Science and Technology， 2012， 11（14）： 953?957.
[9] 薛雷.托卡马克装置杂质离子温度与旋转速度的测量[J].现代电子技术，2013，36（2）：116?118.
[10] LEE H， KOBAYASHI S， MINAMI T， et al. Measurement of ion temperature and toroidal rotation velocity using charge exchange recombination spectroscopy in Heliotron J [J]. Plaa and Fusion Research， 2012（7）：1402019.
摘 要： 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。
关键词： 电荷交换复合光谱； 最小二乘法； 离子温度； 环向旋转速度； 时间分布
1004?373X（2013）21?0138?03
0 引 言
电荷交换复合光谱（CXRS）是粒子诊断和光谱诊断的综合，电荷交换复合光谱在可见光区，光学系统比较容易设计。在高温等离子体中可以直接利用杂质在可见光区的辐射如CVI（529.5 nm）、OIX（607.0 nm）和HeII（468.6 nm）等进行测量。因此通过电荷交换复合光谱（CXRS）可以方便的测得杂质离子温度、密度和旋转速度。
1 实验原理
电荷交换复合光谱诊断主要依赖于中性束注入等离子体后与离子发生电荷交换反应，使离子成为类氢原子；该类氢原子（离子）处于高能态的电子向低能态跃迁时辐射的光谱。如下式所示：
[H0b+An+→H+b+A（n-1）*+]
式中：下标[b]代表中性束粒子；[A]指代等离子体中的杂质如碳、氧以及氦等。
谱线的强度和宽度是谱线的主要特性。在等离子体中，存在许多因素使谱线发生展宽，主要包括自然展宽，多普勒展宽以及碰撞展宽等。
在高密度和低温的气体辐射条件下，多普勒展宽效应会不如碰撞展宽效应明显，谱线的线型近似为洛伦兹型；当辐射源处于低气压的辐射条件时，多普勒展宽比碰撞展宽和自然展宽会多两个数量级，因此谱线的线型近似为高斯型。所以用高斯函数对实验数据进行拟合。
由于多普勒效应直接与离子（或原子）的运动有关，因此可以用来测量粒子的运动情况。而且，假如离子（或原子）的运动速度符合麦克斯韦分布，线光谱近似为为高斯型。通过测出线谱轮廓的半高全宽度，就可以由下式直接求得离子（或原子）温度。
[kTi=
1.7×108AΔλD12λ02]
式中：[A]为所测原子（或离子）的原子量；[λ0]代表CVI谱线的中心波长；[ΔλD12]代表拟合的CVI谱线的波长半高全宽度；[kTi]的单位为eV。若中性束沿大环切线方向注入到设备当中，那么根据多普勒频移就可以得到旋转速度的公式。
[Vrot=cΔλrotλ0]
式中：[Vrot]代表等离子体环向旋转速度；c代表光速；[Δλrot]代表拟合的CVI谱线的多普勒频移；[λ0]代表CVI谱线的中心波长。
2 实验设备
一个完整的CXRS诊断设备由标定系统、成像系统、光传输、光电探测系统和分光系统五个部分组成，诊断系统如图1所示。
实验放电时，装置中的高温等离子体发生聚变反应，产生的光经过光纤传输到光谱仪上，经过光谱仪的入射狭缝将接收到的光传输到光栅上，光栅将接收到的光进行分光形成光谱后，光强信号通过CCD相机以后转化为电信号，将得到的电信号传送到计算机上，通过Andor SOLIS软件得到所要的光谱信息。
3 实验结果
诊断系统总共有13道观察窗口（即13根光纤），本文中选用第八道的数据进行分析，通过Matlab程序得出相应的离子温度以及环向旋转速度。由于HL?2A托卡马克装置在放电过程中C杂质可以提供测量所需的足够强度的信号，因此选CVI（n=8→7）529 nm电荷交换复合光谱进行拟合。
首先启动设备以及计算机，设定Andor SOLIS软件的相关参数，包括光谱仪的型号，光栅刻线数，需要采集的波段以及时间等参数。
然后通过Andor SOLIS软件获得CCD相机传送过来的19591炮的电信号，绘制出如图2所示的光谱图。
最后通过Andor SOLIS软件将CCD相机传送过来的电信号转换成.asc格式的文件导出，通过Matlab程序读取.asc格式的文件以及对初值的确定，得出拟合曲线，如图3所示为第28帧CVI谱线图中各成分的含量，最后通过程序计算出离子的温度以及旋转速度，由图4，图5以及图6的比较可以看论文导读：
出离子温度以及旋转速度随时间的变化趋势与中性束注入功率的变化趋势大致相同。
4 结 论
通过对西南核工业物理研究院第19591炮第8道的数据进行分析，得出了第8道中离子温度以及环向速度随时间的变化趋势与中性束注入功率的变化趋势基本一致。说明本文采用的方法能够很好地反映离子温度以及环向旋转速度随时间的变化趋势，这对ITER计划具有深远的意义。
参考文献
陈文章.托卡马克装置CXRS光谱分析[D].成都：电子科技大学，2011.
黄娟，万宝年，胡立群，等.电荷交换复合光谱诊断（CXRS）在HT?7托卡马克上的研究[C]//2005年中国物理学会秋季物理会议论文集.合肥：中国科学院等离子物理研究所，2005：159?163.
[3] 陈文章，姚列明.HL?2A装置上用电荷交换复合光谱测量等离子体温度[J].真空电子技术，2011（2）：21?23.
[4] 徐伟，万宝年.HT?6M托卡马克电荷交换符合辐射的测量[J].强激光与粒子束，1999，11（2）：225?228.
[5] 刘仔莉，姚列明.用多普勒频移光谱法测量HL?2A中性束能量成分[J].真空电子技术，2011（3）：35?37.
[6] BUSCHE E， EURINGER H， JASPERS R. Measurement of deuterium ion temperature profiles at TEXTOR?源于：论文参考文献www.7ctime.com
94 [J]. Plaa Physics and Controlled Fusion， 1997， 39（9）： 1327–1338.
[7] 韩晓玉，段旭如，杨立梅，等.HL?2A装置上CXRS诊断的系统设计[J].核聚变与等离子体，2011，31（3）：228?233.
[8] WU J， YAO L M， ZHU J H， et al. Profile measurement of ion temperature and toroidal rotation velocity with charge exchange recombination spectroscopy diagnostics in the HL?2A Tokamak [J]. Plaa Science and Technology， 2012， 11（14）： 953?957.
[9] 薛雷.托卡马克装置杂质离子温度与旋转速度的测量[J].现代电子技术，2013，36（2）：116?118.
[10] LEE H， KOBAYASHI S， MINAMI T， et al. Measurement of ion temperature and toroidal rotation velocity using charge exchange recombination spectroscopy in Heliotron J [J]. Plaa and Fusion Research， 2012（7）：1402019.