1、项目名称：托卡马克等离子体项目名称：托卡马克等离子体诊断技术研究诊断技术研究 课题课题4：主动电荷交换复合光谱诊断技术主动电荷交换复合光谱诊断技术 课题负责人：课题负责人：姚列明姚列明 教授教授承担单位：电子科技大学承担单位：电子科技大学 四川大学四川大学1.计划任务完成情况计划任务完成情况2.研究水平与创新性研究水平与创新性3.实施效果实施效果4.人才培养、合作交流、数据共享人才培养、合作交流、数据共享 等方面等方面的情况的情况5.经费使用情况经费使用情况6.存在的问题和建议存在的问题和建议1.计划任务完成情况计划任务完成情况(1)(1)光谱诊断系统的设计和优化光谱诊断系统的设计和优化(2)
2、(2)离子参数的获取离子参数的获取(3)(3)主体离子密度和杂质浓度的诊断主体离子密度和杂质浓度的诊断(1)(1)光谱诊断系统的设计和优化光谱诊断系统的设计和优化图图1 诊断观测区与窗口诊断观测区与窗口图图2 窗口上观察窗的分布示意图窗口上观察窗的分布示意图 0.38 r/a0.71In 2011图图3 针对中心圆窗口的针对中心圆窗口的第一镜和透镜组第一镜和透镜组In 2012-0.27 r/a90%读出速率读出速率最高最高10MHz升级改造后的光谱诊断系统在升级改造后的光谱诊断系统在20112011年年HL-2AHL-2A装置的春季实装置的春季实验中投入使用，取得了有效的实验数据，新的光谱信
3、号验中投入使用，取得了有效的实验数据，新的光谱信号（如图（如图2 2所示）其时间分辨率、谱分辨率和信噪比与原来所示）其时间分辨率、谱分辨率和信噪比与原来的光谱信号（如图的光谱信号（如图1 1所示）相比有了显著的提高。所示）相比有了显著的提高。图图8 8 原有系统的原有系统的CXRSCXRS光谱光谱 图图9 9 现有系统的现有系统的CXRSCXRS光谱光谱利用利用CXRS 诊断技术测量等离子体参数诊断技术测量等离子体参数 物理过程物理过程AlnInAIzz),()(*)1(202ln8wBiickmT谱线宽度谱线宽度离子温度离子温度0rotrotcvDopplerDoppler位移位移旋转速度旋
4、转速度dvnnbeamembeamIZ41谱线强度谱线强度杂质浓度杂质浓度(2)(2)离子参数的获取离子参数的获取C C是是HL-2AHL-2A托卡马克内部的等离子体中的主要杂质之一，所托卡马克内部的等离子体中的主要杂质之一，所产生的谱线中产生的谱线中CC（530.46 nm530.46 nm，n=4n=3n=4n=3）、C(529.06 nmC(529.06 nm，n=8n=7)n=8n=7)谱线的强度较强谱线的强度较强,便于观察和便于观察和测量。测量。CC谱线主要来源于主动电荷交换谱线主要来源于主动电荷交换(ACX)(ACX)复合后粒子复合后粒子的辐射的辐射,依赖于中性束的原子通量。依赖于
5、中性束的原子通量。图图10 杂质辐射杂质辐射C谱线包含谱线包含PCX、ICE和和ACX两部分两部分 表表2 TEXTOR装置及等离子体参数装置及等离子体参数 参数参数最大值（典型值）最大值（典型值）大半径大半径(R0)1.75m小半径小半径(a)0.47m环形磁场环形磁场(BT)3.0T等离子体电流等离子体电流(Ip)0.80MA脉冲长度脉冲长度10s欧姆功率欧姆功率(POhmic)0.3MWNBI功率功率(PNBI)2 1.5MWECRH功率功率(PECRH)0.8MW(at 140GHz)0.3 MW(at 110 GHz)ICRH功率功率(PICRH)2 2.0MW(at25-38MHz
6、)中心离子温度中心离子温度(Ti)1.0keV中心电子温度中心电子温度(Te)1.0keV中心电子密度中心电子密度(ne)3.01019 m-3表表3 HL-2A装置主要参数装置主要参数参数参数数值数值大半径大半径(m)1.64小半径小半径(m)0.45等离子体电流等离子体电流Ip(ka)450环形磁场环形磁场(T)2.8等离子体拉长比等离子体拉长比k1.3等离子体密度等离子体密度(m-3)81019安全因子安全因子3低杂波电流驱动功率（低杂波电流驱动功率（MW）1.5ECRH功率功率(MW)2ICRH功率功率(MW)1NBI功率功率(MW)1.5图图11 TEXTOR装置杂质装置杂质C的的C
7、XRS光谱（光谱（shot=105378）图图12 温度的径向分布温度的径向分布 图图13 旋转速度的径向分布旋转速度的径向分布图图14 第第16476次放电期间等离子体次放电期间等离子体各参数随时间演变各参数随时间演变图图15 HL-2A装置杂质装置杂质C的的CXRS光谱（光谱（shot=16476）图图16 温度的径向分布温度的径向分布 图图17 旋转速度的径向分布旋转速度的径向分布 图图18 温度随时间的分布温度随时间的分布 图图19 旋转速度随时间的分布旋转速度随时间的分布(3)(3)主体离子密度和杂质浓度的诊断主体离子密度和杂质浓度的诊断 本本课题课题主要通过主要通过C C的的C C
8、（529.06nm529.06nm）谱线诊断谱线诊断C C的的浓度，其研究分析方法可以推广到其它杂质的诊断。浓度，其研究分析方法可以推广到其它杂质的诊断。C的发射光谱强度dsnQnIbCXRSzCXRS41beampathmzzzstopzebbdlCnnn1,exp)0(中性束发射光谱强度dsnQnIbBESeBES41CXRSBESBESCXRSezQQIInn杂质浓度考虑中性束的不同能量成分后变为：EuaEBESEBESECXeuaCXRSzIqqnIn./.图图20 用积分球得到的定标光谱用积分球得到的定标光谱1.551.61.651.71.751.81.851.91.9522.050
9、5001000150020002500shot19681-frame103-TiR/mIon temperatrue/eV1.551.61.651.71.751.81.851.91.9522.0580100120140160180200220shot19681-frame103-VrotR/mRotating Km/s对HL-2A上的第19681次放电进行C杂质浓度计算：CXRS光谱拟合：图图21 离子温度分布离子温度分布图图22 旋转速度分布旋转速度分布1.551.61.651.71.751.81.851.91.9522.0511.522.533.544.555.56x 104shot196
10、81-fream103CXRS-IntensityR/mph/A/sr/m2/s图图23 CXRS光谱强度分布光谱强度分布0100200300400500600700800050100150200250300350400450500shotn19681-track9-frame871.51.61.71.81.922.12.2024681012141618x 105shot19681-BES-ItensityR/mPHOTO/A/sr/m2/s图图24 BES光谱拟合光谱拟合图图25 BES光谱光谱4个能量分量对应的光谱强度个能量分量对应的光谱强度1.551.61.651.71.751.81.8
11、51.91.9522.050.0050.010.0150.020.0250.030.035Reference impurity concentration R mconcentration图图26 C杂质的相对浓度杂质的相对浓度图图28 TEXTOR上第上第105378次放次放电时的电时的C杂质浓度分布杂质浓度分布1.551.61.651.71.751.81.851.91.9522.052.22.42.62.833.23.43.6Effect ChargeR mzeff图图27 根据根据C杂质浓度计算的有效电荷数杂质浓度计算的有效电荷数二、研究水平与创新性二、研究水平与创新性近年来国外在这一领
12、域的探索主要体现在两方面：一方面是提高探测近年来国外在这一领域的探索主要体现在两方面：一方面是提高探测灵敏度及测量的可靠性；另一方面是提高测量系统的空间和时间分辨灵敏度及测量的可靠性；另一方面是提高测量系统的空间和时间分辨能力：能力：在日本的在日本的JT-60 JT-60（20072007）装置上发展了一套利用）装置上发展了一套利用CXRSCXRS高时间分辨测高时间分辨测量离子温度及其径向分布的系统，该系统利用滤光的量离子温度及其径向分布的系统，该系统利用滤光的CXRSCXRS系统实时系统实时观测离子温度（每观测离子温度（每10ms10ms计算出四个空间点的离子温度分布），进而计算出四个空间点
13、的离子温度分布），进而主动反馈控制实验中芯部的离子温度，即改变总的加热功率（如中主动反馈控制实验中芯部的离子温度，即改变总的加热功率（如中性束注入）来改变芯部的离子温度，同时通过改变加热的能量沉积性束注入）来改变芯部的离子温度，同时通过改变加热的能量沉积位置来控制离子温度梯度；位置来控制离子温度梯度；在在JETJET（20082008）装置上，）装置上，CXRSCXRS系统对边缘（系统对边缘（r/a=0.5-1.0r/a=0.5-1.0）离子温度）离子温度诊断视线共诊断视线共5858根，该系统的时间分辨为根，该系统的时间分辨为10ms10ms；在在ASDEXASDEX（20082008）装置上
14、新建的）装置上新建的CXRSCXRS诊断系统其时间分辨率已达诊断系统其时间分辨率已达1.9ms1.9ms；由于由于HL-2AHL-2A装置的属于中等规模和参数偏低的情况，本装置的属于中等规模和参数偏低的情况，本课题的时间分辨率受信号强度的影响远达不到上述装置的课题的时间分辨率受信号强度的影响远达不到上述装置的水平，但是与同等规模的装置水平，但是与同等规模的装置TEXTORTEXTOR（时间分辨率（时间分辨率20ms20ms）基本相当。基本相当。本课题获得了离子的温度分布和环向转动速度分布，本课题获得了离子的温度分布和环向转动速度分布，并初步获得了杂质浓度的测量方法和结果。并初步获得了杂质浓度的
15、测量方法和结果。本课题研究结果本课题研究结果提高了我国在提高了我国在CXRSCXRS诊断技术方面的水诊断技术方面的水平平，丰富了我国在等离子体诊断方面的技术手段。，丰富了我国在等离子体诊断方面的技术手段。三、实施效果三、实施效果 利用利用CXRS诊断技术在我国托卡马克装置诊断技术在我国托卡马克装置HL-2A上研上研究聚变离子的温度、密度、转动、有效电荷数、杂质浓究聚变离子的温度、密度、转动、有效电荷数、杂质浓度以及中性粒子和等离子体的相互作用，开发相关软件，度以及中性粒子和等离子体的相互作用，开发相关软件，使光谱诊断发展成为该装置上的常规诊断，为进一步研使光谱诊断发展成为该装置上的常规诊断，为
16、进一步研究等离子体的约束、加热、输运和能量损失机制提供有究等离子体的约束、加热、输运和能量损失机制提供有效的实验手段和丰富的实验数据，为效的实验手段和丰富的实验数据，为ITER下一步的相关下一步的相关工作提供重要的参考和技术储备，并培养聚变领域的研工作提供重要的参考和技术储备，并培养聚变领域的研究人才。究人才。四四.人才培养、合作交流、数据共享等方面的情况人才培养、合作交流、数据共享等方面的情况1 1、人才培养：、人才培养：本课题培养博士后本课题培养博士后1名，硕士名，硕士3名。发表的论文名。发表的论文9篇篇 2 2、合作交流：、合作交流：1 1）出国交流访问）出国交流访问访问单位：访问单位：
17、Culham science centre Culham science centre（JETJET）2）出国工作交流）出国工作交流目前课题组派出目前课题组派出1人前往法国人前往法国ITER中心工作。中心工作。3）参加的国际会议）参加的国际会议21st ITPA Topical Group Meeting on Diagnostics October 17 20,2011 Hefei,China五五.经费使用情况经费使用情况序号序号科目名称科目名称金额（万元）金额（万元）1一、经费支出一、经费支出351.224071351.22407121、设备费、设备费155.759267 155.7592
18、67 3（1）购置设备费）购置设备费23.028913 4（2）试制设备费）试制设备费129.610354 5（3）设备改造与租赁费）设备改造与租赁费3.123.1262、材料费、材料费2.047962.0479673、测试化验加工费、测试化验加工费105.1480 105.1480 84、燃料动力费、燃料动力费3.1200003.12000095、差旅费、差旅费18.48005118.480051106、会议费、会议费 0.0320.032117、国际合作与交流费、国际合作与交流费5.2095135.209513128、出版、出版/文献文献/信息传播信息传播/知识产权事知识产权事务费务费0.
19、6472210.647221139、劳务费、劳务费31.20000031.2000001410、专家咨询费、专家咨询费0.0534000.0534001511、管理费、管理费29.52666629.5266661612、17二、经费来源二、经费来源181、专项经费资助、专项经费资助415192、自筹经费来源、自筹经费来源0本课题结余经费本课题结余经费55万余元，结余的原因主要有以下几点：万余元，结余的原因主要有以下几点：1）原经费预算中有光学系统透镜的成像质量和第一镜的物）原经费预算中有光学系统透镜的成像质量和第一镜的物理和化学性能测试，这两项的预算为理和化学性能测试，这两项的预算为15万，由
20、于该系统安万，由于该系统安装在装置内，需要等装置统一开启时才能取出进行测试。该装在装置内，需要等装置统一开启时才能取出进行测试。该装置于装置于2012.11.21才从装置取出，来不及测试。才从装置取出，来不及测试。2）原经费预算中材料费包括光纤束）原经费预算中材料费包括光纤束12万，由于光纤费用升万，由于光纤费用升高，预算的材料费不够支付。高，预算的材料费不够支付。3）原经费预算国际交流一项包括赴日本，学习）原经费预算国际交流一项包括赴日本，学习JT-60上的上的CXRS诊断技术诊断技术5.24万，由于万，由于JT-60在升级改造，未能成行。在升级改造，未能成行。原预算中原预算中有有参加国际会议参加国际会议（23万）万）并参观并参观DIII-D，因签证晚，因签证晚到未能成行。到未能成行。六六.存在的主要问题存在的主要问题1、由于、由于HL-2A装置没有测量极向旋转速度的窗口，因此无装置没有测量极向旋转速度的窗口，因此无法获得极向旋转速度，也就无法导出电场的分布。法获得极向旋转速度，也就无法导出电场的分布。2、有待测量更多种类的杂质，以提高杂质浓度和有效电、有待测量更多种类的杂质，以提高杂质浓度和有效电荷数的测量精度。荷数的测量精度。3、开发的、开发的CXRS谱线拟合程序运行时间较长，需要进一步谱线拟合程序运行时间较长，需要进一步优化。优化。
