EAST托卡马克装置配备了两套中性束注入系统, 每套系统都由两条不同注入角度的束线组成, 每条束线配备有高功率正离子源, 可独立工作^[15], 总体布局如图1所示, 束能量50~80 keV可调、 脉宽10~100 s、 功率2~4 MW, 表1列出了中性束的主要参数。 其中第一套中性束注入系统(NBI1)沿EAST装置的A窗口, 沿大环方向逆时针注入, 束中心线与A窗口轴线之间的角度为19.5° 。 第二套中性束注入系统(NBI2)安装在D窗口, 也是逆时针注入, 束的中心线与D窗口的轴线夹角为17° , 且两条束线与D窗口轴线夹角分别为12.7° (中性束右源, NBI2R)和21.3° (中性束左源, NBI2L)。 EAST束发射光谱诊断系统的集光镜头安装在C窗口, 用于观察NBI2L束线, 视线分布范围为1.9~2.27 m, 根据计算结果, 从C窗口观测NBI2L光束线时, 视线与环面夹角较小, 能够获得更好的径向空间分辨率, 径向分辨率为0.9~2.3 cm, 而基于NBI2R的径向分辨率为0.9~6 cm。

图1

Fig.1

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	图1 EAST中性束注入系统图Fig.1 Layout of NBI system on EAST

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 EAST中性束参数 Table 1 The neutral beam parameter of EAST Parameter Value Beam cross section 12 cm× 48 cm Beam divergence X: 0.6° , Y: 1.2° Beam energy 50~80 keV Neutral beam power 2~4 MW Ineutral(E) 40~70 A

表1 EAST中性束参数 Table 1 The neutral beam parameter of EAST

束发射光谱诊断(BES)系统示意图如图2所示主要包括前端集光镜头、 传输光纤和高分辨率光谱仪3个部分。 第一部分为前端集光镜头由真空观察窗、 集成光纤束及收光镜头组成。 其中, BES诊断集光镜头与电荷交换复合光谱(CXRS)诊断系统共用一套集光镜头, 镜头焦距为f=112 mm, 放大率为17.01。 第二部分传输光纤是长距离传输信号的载体, 中性束与等离子体辐射的光经过集光镜头后通过长光纤传输到实验室光谱仪。 第三部分高分辨率光谱仪采用反射式透镜成像光谱仪, 光栅为2 160 g· mm^-1, F数为2, 焦距为200 mm, 该光谱仪具有高通光量连续波长扫描等优点。 谱仪探测器采用Andor iXon-DU-897U电子倍增EMCCD, 像素尺寸为13 μm× 13 μm, 像素数为1 024× 1 024。 每根光纤在CCD(成像尺寸)的垂直方向上占据25个像素。 通常将每道所占的像素并道处理, 用以提高实验测量中的信噪比和时间分辨率。

图2

Fig.2

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	图2 BES诊断系统示意图Fig.2 Schematic diagram of BES system

由于CCD探测器记录的是光子打到探测器感光原件上产生的电子-空穴对数, 在通过绝对强度标定后, 便可获得CCD计数值与等离子体辐射谱照度的关系即强度矫正因子^[16]。

对于光谱仪每一通道对应的CCD计数值与谱亮度的关系可以表示为

S(λi)=NiI(λi)×Δt(3)

式(3)中, N_i为CCD的计数值, I为实际辐射的光谱强度, Δ t为CCD曝光时间, S(λ _i)为绝对强度矫正因子。

本文采用积分球光源进行绝对强度的标定, 图3给出了辐照亮度与波长曲线关系。 实际标定过程中, 首先利用激光从实验室照亮传输光纤, 激光射出集光镜头后在观测视线的方向将积分球放置在中性束注入路径上, 在积分球出口处放置一块反射镜, 通过调整使得反射与入射激光重合, 确保积分球出口与视线垂直。 打开积分球照亮光路, 并记录实验室CCD读数。 最后将对应波长的辐照强度和CCD曝光时间代入关系式(3)即可计算如图4所示的每一道光纤的强度矫正系数。

图3

Fig.3

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	图3 波长与辐照亮度的关系曲线图Fig.3 The curve of the relationship between wavelength and intensity

图4

Fig.4

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	图4 不同观测道的强度矫正系数Fig.4 Intensity calibration factor for different channels

EAST托卡马克的中性束注入系统以氘为工作气体, 通过离子源产生的离子经过加速栅格加速成为高能离子。 这些高能离子最后经过中性化室中性化后注入等离子体。 注入等离子体的束流包括全能量、 半能量以及1/3能量成分, 三种能量成分注入等离子体后会发生不同程度的衰减。 由于观测视线与束线之间存在夹角, 三种能量成分会产生不同程度的多普勒频移^[17], 能量越大频移越多。 当观测位置越往边界, 实验测量的谱线频移量会逐渐减小, 有的谱线甚至会被氘线淹没。 图5给出NBI2L束线实际测量的各观测道束发射光谱线, 对这些光谱线经行分析, 即可获得中性束的束能量、 观测角度、 束成分以及束线衰减特性。

图5

Fig.5

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	图5 实验测量各观测道的束发射光谱Fig.5 BES intensity for different channels

如前文所述, BES谱线的发射强度与中性粒子密度和背景等离子体的参数息息相关。 SOS程序包含了完整的中性束注入仿真计算模型模块, 采用相对简化但计算速度快的一维传输衰减模型, 能够依据实际的等离子体放电参数(电子温度T_e, 电子密度n_e等), 中性束的运行参数(束能量、 束流、 束成分比等)以及中性束的注入角度计算得到中性粒子沿注入路径的衰减分布特征; 计算谱线发射强度所需的激发跃迁截面由ADAS数据库提供, 谱线的STARK分裂特征则由内置的运动斯塔克能级分裂模块计算完成; 为了获得与实验观测相一致的BES光谱, 还需考虑观测视线与中性束注入方向的相对角度以及BES谱仪的性能参数。 下面简要说明BES谱线模拟过程: 依据EAST装置特征, SOS程序建立了等离子体、 中性束(NBI2L)与观测视线的三维几何模型, 如图6所示, 束线与视线之间的夹角在46.8° ~61° 范围之间。 选取#110235炮t=4.3 s的等离子体参数作为背景等离子体参数, 如图7所示, 芯部电子密度为5.0× 10¹⁹ m^-3, 电子温度为3.2 keV。 在此参数条件下, 等离子体与中性束碰撞的有效发射系数与中性束衰减因子(即中性束束粒子密度衰减)如图8所示。 图中给出了三个能量成分的衰减因子计算结果, R=2 300 mm代表中性束进入等离子体的位置, R=1 880 mm为等离子体芯部, R=1 422 mm为中性束穿透等离子体的位置。

图6

Fig.6

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	图6 SOS模拟束发射诊断系统Fig.6 Schematic of BES systems from SOS

图7

Fig.7

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	图7 等离子体电子密度(a)与温度分布(b)Fig.7 (a) Electron density profiles; (b) Electron temperature profiles

图8

Fig.8

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	图8 BES有效发射系数(a)及中性束衰减因子(b)Fig.8 (a) Effective BES emission rate; (b) Neutral beam attenuation factor

如前所述, BES谱仪的焦距为200 mm, 光栅的规格为2 160 g· mm^-1, 谱仪探测器的像素尺寸为13 μm, 对应的线色散率为0.1 A· pixel^-1, 表2给出了SOS程序模拟BES发射光谱所需的谱仪参数, 选取R=2 227.6 mm的观测视线, 仿真计算结果如图9所示。 EAST中性束为正离子源, 其注入中性束包含了三种能量成分, 图中蓝线、 黑线、 灰线分别对应全能量、 半能量以及三分之一能量成分激发的束发射光谱, 谱线整体呈现红移特征, 全能量成分的多普勒频移最大, 半能量成分与三分之一能量成分的谱线交叠在一起, 不易分辨, 这与实验观测结果是一致的, 为了简单起见, 我们仅研究全能量成分的衰减特征。 模拟谱线中的红色谱线为主离子的电荷交换谱, 仅作标识谱峰位置使用, 实际观测的谱线成分复杂的多, 不在本文的讨论范围内。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 BES谱仪参数 Table 2 BES spectrometer parameters Parameter Value Quantum efficiency 95% F-number 2 Slit width 0.02 mm Slit heigth 0.2 mm Dispersion 0.1 A· pixel-1 Binning 1 Number of pixels 1 024 PixelSize 13 μm

表2 BES谱仪参数 Table 2 BES spectrometer parameters

图9

Fig.9

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	图9 SOS模拟束发射光谱Fig.9 Beam emission spectrum from SOS

本文选取#109706(n_e=2.5× 10¹⁹ m^-3)与#110633(n_e=4.5× 10¹⁹ m^-3)两炮数据进行研究与分析等离子体密度对中性束衰减的影响, 放电参数如图10所示。 由于等离子体的温度对中性束衰减的影响较小, 所以本文忽略了温度带来的差异。 束发射光谱强度衰减的模拟与实验结果如图11(a)所示蓝线和红线分别对应平均密度n_e=2.5× 10¹⁹ m^-3和n_e=4.5× 10¹⁹ m^-3时SOS的模拟结果, 原点分别代表不同时刻点的实验测量结果。 由图可得模拟结果与实验测量结果误差分别在2 082.9 mm和R=2 180.5 mm时达到最大6%和8%, 两者具有较好的一致性。 图11(b)给出了中性束的粒子变化曲线即中性束衰减因子, 中性束从注入到达到等离子体芯部时沉积效率在66%、 80%, 穿透等离子体后, 剩下的中性粒子密度分别为9%和4%左右。 可见, 随着等离子体密度的升高, 中性束与等离子体的有效碰撞截面增加, 穿透损失变小。

图10

Fig.10

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	图10 电子密度(a)与电子温度分布(b)Fig.10 (a) Electron density profiles; (b) Electron temperature profiles

图11

Fig.11

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	图11 BES强度衰减(a)及中性束衰减因子(b)Fig.11 (a) BES intensity attenuation; (b) Neutral beam attenuation factor

中性束的能量是影响中性束能量衰减的关键因素之一, 本文选取#110235(NBI=45 keV)与#109694(NBI=55 keV)两炮数据分析束能对衰减的影响。 具体放电参数如图12所示, 同样忽略了等离子体温度带来的影响。 图13(a)中蓝线与蓝点对应NBI=55 keV下束发射光谱强度衰减的模拟与实验结果, 红线与红点对应NBI=55 keV参数下的结果。 模拟与实验误差分别在R=2 057与2 227.6 mm时达到最大为3%和7%。 此外, 由图13(b)的中性束衰减因子可得中性束到达等离子体芯部时, #110235和#109694炮的中性粒子密度仅为注入等离子体时的23%、 28%。 当中性束穿过等离子体后, 即穿透损失为4%和5%。 因此, 随着中性束能量的增大, 中性束与等离子体的碰撞截面减小, 穿透损失逐渐增加。

图12

Fig.12

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	图12 电子密度分布(a)与温度分布(b)Fig.12 (a) Electron density profiles; (b) Electron temperature profiles

图13

Fig.13

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	图13 BES强度衰减(a)及中性束衰减因子(b)Fig.13 (a) BES intensity attenuation factor; (b) Neutral beam attenuation factor