高温等离子体中高Z金属杂质的观测及其行为研究
时间：2023-07-01 14:25:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
沈永才，何 梁
（1.合肥师范学院 物理与材料工程学院，安徽 合肥 230601；
2.中国科学院 等离子体物理研究所，安徽 合肥 230031）
高温等离子体中的杂质主要来源于等离子体与壁材料的相互作用。杂质的存在会稀释主等离子体燃料、污染主等离子体，过高的杂质会影响等离子体品质、电流分布以及密度控制等[1-3]。高Z金属杂质（如钨、钼等）由于其良好的材料性能（高熔点以及低溅射率等优点），已成为高温核聚变装置壁的首选材料，并且被ITER和CFETR所采用。然而对于高Z杂质，在等离子体中存在较强的辐射损耗，其韧致辐射功率随温度和Z2的增加而增加，线辐射也很强，而即使在聚变温度下，高Z杂质也很难完全电离[4]。在国内外大型聚变装置上普遍发现，在高约束模式（H模）或内部输运垒（ITB）等约束改善模式下，由于新经典效应，高Z杂质极易在芯部聚集，制约芯部等离子体约束性能的提升，严重时将中止放电，对长脉冲高约束稳态运行带来极大挑战[3-5]。因此，对高温等离子体芯部的金属杂质含量进行监测，并开展相应的杂质行为研究，探索有效屏蔽杂质或者降低聚集在芯部的杂质浓度方法对于托卡马克物理研究具有重要意义。
目前，国内外中大型主流聚变装置的芯部电子温度都已突破keV量级。在该温度下，大量的杂质辐射存在于软X射线和极紫外波段。在线辐射观测方面，相比于可见光，软X射线和极紫外波段具有独特的优势，能观测到如低Z杂质碳、氧等的类氢、类氦线，以及高Z杂质如铁、铜和钼等的类锂、类氖线。近年的实验中，EAST托卡马克装置采用金属钼、钨作为第一壁和偏滤器材料，而真空室和射频波天线使用的不锈钢材料含有铁、镉、铜、镍等金属，这些都为EAST等离子体提供了丰富的金属杂质源。借助于软X射线及极紫外光谱诊断[6-10]，观测到丰富的金属杂质线辐射谱线。
基于杂质光谱诊断，国内外在杂质聚芯及抑制方面开展了大量研究。比较有代表性的结果是采用近轴的射频波加热，杂质或许可以被有效地从芯部排出。该现象在FTU、ASDEX、C-Mode、K-STAR、JT-60U[11-15]等装置上都曾被观测到，如在C-Mode实验中，采用近轴的离子回旋共振加热，芯部电子密度和杂质峰化趋势得到抑制。
本文首先介绍高温等离子体芯部杂质测量诊断（以EAST上的软X射线和极紫外光谱诊断为例），并基于该诊断，研究高温等离子体中的钨、铜、铁等金属杂质线辐射谱线及其剖面分布。然后，研究高Z金属杂质在不同放电条件下的行为，采用不同控制手段来实现芯部金属杂质含量抑制，如采用近轴电子回旋波加热和撒锂粉等方式在一定程度上缓解高Z杂质聚芯。
软X射线和极紫外光谱对应的波段通常是指1 nm～50 nm，鉴于该波段光谱诊断在杂质测量方面的重要作用，国际上主流磁约束核聚变装置都将其视为核心诊断之一。
EAST装置上的XEUV诊断主要由狭缝、凹面变间距光栅及探测器三部分组成。狭缝的水平宽度与光谱的谱分辨率有关，缝宽可在（0～0.5）mm范围内调整；
狭缝的竖直高度对光谱仪的空间分辨能力有影响，缝高可在（0～1）cm范围内变化。
核心分光元件采用凹面变间距光栅，该光栅成像是基于罗兰圆原理[16]。入射狭缝放置在罗兰圆上，光栅刻线与狭缝保持平行，通过狭缝的光经凹面变间距光栅衍射分光后，以不同波长谱线λ1,λ2,λ3,…成像于罗兰圆上。衍射光谱满足光栅方程：
式中，α为入射角，β为衍射角，d为光栅常数，k为光谱级数。在变间距光栅中d为变量，通过改变d，可以实现一定波长范围的光谱聚焦偏离罗兰圆而成一直线，如图1所示。该类型光栅在极紫外波段光谱仪中应用较为广泛。
图1 凹面变间距光栅光路简单示意图
光谱仪所采用的探测器为电荷耦合器件（CCD），由Andor公司生产的大阵面CCD像元数为2 048*2 048，像元尺寸为（13.5×13.5）μm2，感光面积为（27.6×27.6）mm2。该探测器的读出数率最高可达5 MHz。CCD主要读数模式有Multi-track（MT）模式、Full vertical Binning（FVB）模式以及成像模式。实验中，我们常采用FVB模式和MT模式。两者的区别在于FVB模式将所有的行并到一起，没有空间分辨能力；
而MT模式可以将部分行和列像元叠加成为一个整体，所获得的数据具有一定的空间分辨能力，其空间分辨能力可由下式获得，
其中，M为物到狭缝距离与狭缝到成像面距离的比值，P为像元尺寸，d为狭缝的高度，N为合并的像元数，将目前的M、P、d和N的数值代入，可得目前的空间分辨能力为24.5 mm。
基于目前光谱仪各部件的参数设置，我们得到光谱仪的主要参数为光谱范围（1～50）nm，光谱分辨率为0.015 nm@20 nm，空间分辨率为24.5 mm，仪器工作范围（0～450）mm（芯部等离子体上半空间），时间分辨率为20 ms。
在完成光谱仪的整体研制后，需要对光谱仪进行波长标定。相比于可见光光源、红外或紫外波段光源，该波段的光源较为稀缺。目前波长标定主要采用特定光源，如中国科技大学的同步辐射源、托卡马克装置中等离子体放电光源。图2为同步辐射源现场波长标定图。
图2 同步辐射波长标定现场图
利用测量得到的谱线，可以获得光谱仪探测器像素和波长的函数关系，一般采用线性、二次、三次等多项式函数进行拟合。本研究可以采用以下的三次函数拟合算法进行计算，
其中，N为探测器像元序号，a0、a1、a2和a3为对应项系数。将数条特征谱线的波长和像元序号关系代入求解，可以获得多项式的系数。在完成波长标定后，将光谱仪安装到托卡马克装置中，而光谱仪整体搬迁所带来的微小误差可通过托卡马克中的特征谱线来校正。图3为EAST装置上采用类氢氧线O VIII（波长为1.897 nm）和类氢碳线C VI（波长为3.73 nm）进行的波长再标定结果，在托卡马克装置中，碳氧杂质较为常见，而且这两条谱线辐射较强，基本上每一次放电都能被观测到，故可用于光谱仪实时的精确校准。
图3 XEUV光谱仪在托卡马克装置中的波长标定
EAST托卡马克装置中的金属杂质主要来源于钨、钼、铁和铜等，基于软X射线和极紫外光谱诊断所获得的金属杂质线辐射典型光谱参见图4、5以及表1。图4为XEUV光谱仪在EAST装置上观测到的钨杂质谱线，在（4～6）nm波段较为集中，主要的电离态为W XXVII-XXX。钨杂质谱非常复杂，对杂质的识别带来一定的困难，在较高的光谱分辨率仪器下才有可能实现精确识别。在更高电子温度下，钨杂质谱线会呈现更高的电离态辐射谱线光谱，如图5为XEUV光谱仪在EAST装置上观测到（12～14）nm波段的钨杂质谱线，该部分钨杂质电离态主要集中在W XL-XLVII，分布比较独立，且在较高的等离子体电子温度下（大于2 keV）才会出现。钼杂质谱线主要集中在（7～13）nm，表1为（6.7～8.4）nm范围内观测到的钼杂质线辐射谱线，其电离态主要集中在Mo XVIII-Mo XXVIII，较为密集，而在（8～13）nm范围存在若干条较为分立的钼杂质谱线[9]，在EAST上观测到的其它金属杂质光谱已在部分文献中报道过，这里就不再赘述了。
表1 光谱仪在EAST装置中观察到的典型钼杂质谱线列表
图4 XEUV光谱仪在托卡马克上观测到的典型钨杂质谱线
图5 XEUV光谱仪在托卡马克上观测到的（12～14）nm波段钨质谱线
光谱杂质谱线的精确识别主要依赖于原子数据模型的理论计算和实验结果的对比，国际上已经有大量的科学家参与了线辐射光谱的计算和实验确认工作，本文中的杂质谱线主要通过查找国际原子数据库（NIST）[17]和部分其他科研工作者的工作来实现。
当探测器在MT模式下工作时，可以获得杂质线辐射空间分布。图6为典型的不同杂质电离态的空间分布图。杂质谱线来源于C VI、O VIII、Ar XV和Mo XXXI电离态，这些杂质的剖面不同，有依次向芯部聚集的趋势，主要与其电离能不同有关。其中，C VI电离能为490 eV，Ar XV为854 eV，O VIII为871 eV，Mo XXXI为1 726 eV。电离能越高的杂质电离态，杂质离子在芯部占比越多，这也是高Z杂质常常在等离子体芯部聚集的原因之一。
图6 EAST装置上不同杂质的剖面分布。（a）C VI剖面；
（b）Ar XV剖面；
（c）O VIII剖面；
（d）Mo XXXI剖面
在托卡马克装置中，为了等离子体获得更高温度以及进行高约束模式放电，需要配以辅助加热装置来加热等离子体，如离子回旋波、低杂波、中性束注入、电子回旋波加热等方式。当这些辅助能量被注入到等离子体中，会增加等离子体和壁的相互作用，溅射出更多的杂质，如不采取合适的方式排出，将会增加主等离子体中的杂质含量。图7为典型的以低杂波和离子回旋波加热为主的等离子体放电波形图。放电初期，纯欧姆加热，温度比较低，环电压加高，Fe XXXII谱线的强度比较弱。当低杂波在0.8 s注入到等离子体中，Fe的辐射强度增强。而在离子回旋波注入期间，Fe辐射进一步加大，表明等离子体与壁材料相互作用进一步增强。当低杂波加热关断时，Fe强度也很快回落。图中CXUV信号表示的是总辐射强度，其趋势与Fe线强度演化相似。
图7 托卡马克装置上低杂波和离子回旋波加热对金属杂质行为影响。（a）电流信号；
（b）环电压信号；
（c）低杂波加热功率；
（d）离子回旋加热功率；
（e）XUV辐射强度；
（f）Fe线辐射强度随时间演化
除了辅助加热带来的杂质辐射增强以外，当等离子体放电由低约束模式向高约束模式转变时，也会引起芯部等离子体区域的辐射增强。图8为托卡马克上观测到的由低约束模式进入高约束模式时金属杂质的时间演化情况。当等离子体放电由低约束模式进入高约束模式时（时间为3.6 s），电子密度上升，总辐射信号增强，碳杂质和氧杂质都增强，而当等离子体退回到低约束模式时（时间为4.3 s），杂质辐射减弱。之后经历数次高低约束模式转换，杂质呈现类似变化。
图8 高温等离子体中典型高低约束模式转换过程中金属杂质行为。（a）电流信号；
（b）环电压信号；
（c）弦积分电子密度；
（d）Hα强度；
（e）总辐射强度；
（f）C VI线辐射强度；
（g）O VIII线辐射强度随时间演化
为了应对高Z金属杂质在高功率加热、高约束和长脉冲放电中的杂质聚芯问题，本文探索了多种手段来降低芯部高Z杂质。通过在等离子体放电过程中注入低Z杂质如锂，可以在边界产生辐射以降低等离子体与壁材料中高Z杂质的相互作用。图9为在EAST放电过程中撒入锂粉的实验结果，锂开始增加的时刻即为撒锂粉的时间点，在（5～8）s可以看到锂粉的注入能有效缓解芯部的钼杂质聚芯行为。
图9 撒锂粉对高Z金属杂质钼的影响。（a）Li III随时间演化；
（b）Mo XXXI随时间演化
近轴电子回旋波对杂质聚芯的抑制也被国内外众多装置报道过，在EAST装置中也多次观测到此现象。图10为近轴电子回旋波注入对芯部铁杂质的影响，在电子回旋波注入期间，芯部铁杂质含量降低到原来的20%左右，表明其在芯部排杂方面效果显著。电子回旋波排杂的机理尚不完全明确，主流观点认为其与芯部的湍流输运有关。除此之外，共振磁扰动线圈（RMP）也被用来进行芯部排杂实验研究，在EAST上的典型结果见图11。在RMP注入期间，芯部的碳和铁杂质都大量减少，剖面呈现中空分布。对于RMP的芯部排杂，一方面认为与进入等离子体中的杂质粒子通量有关；
另一方面也可能与输运有关，但其机制也尚不明确。
图10 近轴电子回旋波对铁杂质的影响
图11 共振磁扰动对铁杂质的影响
高温等离子体中的高Z杂质聚芯是影响高温等离子体长脉冲高约束模式稳态运行的关键问题。在研制软X射线和极紫外光谱诊断的基础上，对EAST上的金属杂质钨和钼等谱线进行测量，并基于谱线数据研究了不同放电条件下的金属杂质行为，提示了在高约束模式和高功率加热下，高Z杂质聚芯将不可避免。采用撒锂粉、近轴电子回旋波加热以及RMP注入，可以在一定程度上缓解高Z杂质聚芯。但是，其物理机制尚不清晰，且高温等离子体放电有众多不可控因素，导致芯部排杂不能达到稳定的效果。未来还需要在芯部排杂方法和物理机制研究中开展更多的实验探索，才能有效降低甚至避免杂质聚芯对高温等离子体放电造成的影响。
猜你喜欢芯部托卡马克光谱仪均匀化处理对3003铝合金析出行为的影响中南大学学报（自然科学版）(2022年11期)2023-01-18英原型聚变堆ST40实现1亿℃等离子体高温国外核新闻(2022年4期)2022-02-08一种涂覆耐磨涂层的发泡塑料托盘橡塑技术与装备(2021年14期)2021-07-23中阶梯光栅光谱仪自动化波长提取算法光学精密工程(2016年6期)2016-11-07医用显微成像光谱仪的光谱定标技术光学精密工程(2016年5期)2016-11-07EAST托卡马克上截面效应对电荷交换复合光谱测量结果的影响核技术(2016年4期)2016-08-22发动机散热器的设计现代农业研究(2015年2期)2015-03-31双面镜结构成像光谱仪的改进及性能分析安徽工业大学学报（自然科学版）(2014年4期)2014-07-11反射内存网络在托卡马克装置快控制器中的应用原子能科学技术(2014年3期)2014-02-28基于 PXI Express 的托卡马克同步数据采集系统设计原子能科学技术(2014年1期)2014-02-28
