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科學(xué)島團隊在彎晶譜儀診斷關(guān)鍵技術(shù)研究方面取得新進展
【化工機械設(shè)備網(wǎng) 技術(shù)前沿】近日，中科院合肥物質(zhì)院等離子體所EAST團隊主動束光譜診斷課題組在彎晶譜儀光譜研究、面向聚變堆的診斷技術(shù)儲備等方面取得了新進展，研究成果在Nuclear Fusion和Physics of Plasmas等期刊發(fā)表。
等離子體離子溫度，旋轉(zhuǎn)速度是表征聚變等離子體性能的重要參數(shù)，也是開展眾多等離子體物理問題研究的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。彎晶譜儀通過測量等離子體雜質(zhì)譜線的多普勒頻移與多普勒展寬來測量離子溫度和旋轉(zhuǎn)速度。由于彎晶譜儀測量原理清晰，且不需要中性束注入輔助，目前被廣泛地應(yīng)用于國內(nèi)外眾多聚變裝置，也是ITER等聚變堆裝置上的診斷手段之一。主動束光譜課題組近年來對彎晶譜儀系統(tǒng)進行了多次性能升級，目前可以穩(wěn)定可靠地提供EAST等離子體芯部至ρ=0.7區(qū)域離子溫度與旋轉(zhuǎn)速度剖面，通過發(fā)展高效的剖面反演手段，獲得了和電荷交換復(fù)合光譜一致的離子溫度和旋轉(zhuǎn)速度分布，提升了評估芯部等離子體參數(shù)的準確度【鏈接1】。
EAST和下一代聚變裝置均選擇了鎢(W)作為面向等離子體的偏濾器靶板材料，所以在主等離子體中不可避免地會引入鎢雜質(zhì)離子。如何將鎢雜質(zhì)濃度控制在可接受的范圍之內(nèi)，是目前聚變研究所面臨的關(guān)鍵物理和技術(shù)問題之一。另一方面，由于鎢雜質(zhì)在高參數(shù)等離子體也很難完全電離，因此，通過分析鎢雜質(zhì)離子輻射譜線也可以提供聚變堆等離子體中芯部離子溫度、旋轉(zhuǎn)速度等重要物理參數(shù)。課題組基于彎晶譜儀開展了大量的鎢雜質(zhì)光譜儀研究，為等離子體中鎢雜質(zhì)輸運和鎢雜質(zhì)含量控制方法研究提供了豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過優(yōu)化診斷系統(tǒng)波長觀測范圍、發(fā)展鎢雜質(zhì)輻射剖面反演方法和原位強度標定手段，獲得了多條鎢雜質(zhì)譜線，并實現(xiàn)了芯部高電離態(tài)鎢(W44+)雜質(zhì)濃度分布的精確測量，在EAST上系統(tǒng)開展了鎢雜質(zhì)控制物理實驗研究，直接觀測到射頻波芯部加熱對于雜質(zhì)聚芯的緩解作用【鏈接2，3】。
除了開展鎢雜質(zhì)光譜研究之外，課題組也進行了其他可行的面向聚變堆的彎晶譜儀關(guān)鍵診斷技術(shù)的探索，開展了基于氙(Xe)光譜譜形分析進行高參數(shù)等離子體離子溫度與旋轉(zhuǎn)速度測量的可行性研究。通過原子物理程序開展模擬計算，驗證了氙光譜測量離子溫度的可行性，并在EAST物理實驗上首次測量到與理論預(yù)測相符的氙譜線，并基于Xe雜質(zhì)譜線分析，獲得了離子溫度等等離子體參數(shù)【鏈接4，5】。
相關(guān)研究得益于等離子體所EAST大科學(xué)裝置團隊成員間的共同協(xié)作，并得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院科研儀器設(shè)備研制項目、安徽省杰出青年基金、磁約束聚變安徽省實驗室開放基金等項目的資助。(文/林子超、盧迪安 圖/林子超、盧迪安)
論文鏈接：
1. Z. Lin, et. al., Plasma Sci. Tech. 25 (2023) 095102.
2. L. He, et. al., Plasma Sci. Tech. 22 (2020) 084002.
3. Z. Lin, et. al., Phys. Plasma 30 (2023) 032505.
4. D. Lu, et. al., Rev. Sci. Instrum. 92 (2021) 043544.
5. D. Lu, et. al., Nucl. Fusion 63 (2023) 056002.
圖1：反演得到的旋轉(zhuǎn)速度(vt)與離子溫度(Ti)局域剖面與電荷符合交換光譜(CXRS)對比結(jié)果
圖2：左圖為EAST上彎晶譜儀系統(tǒng)測量得到的典型譜線，右圖為測到到的W44+離子密度
圖3：理論預(yù)測與實驗測量的Xe光譜對比
圖4：Xe光譜的詳細信息
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