陳 俊 呂 波 王福地 潘夏云 李穎穎 符 佳 尹相輝 胡睿佶馮雙園 石躍江 余 羿 葉民友

1（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 合肥 230026）2（中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031）3（首爾大學(xué) 核工程系 韓國(guó)首爾 151-742）

托卡馬克彎晶譜儀雙晶體結(jié)構(gòu)應(yīng)用的初步研究

陳 俊1,2呂 波2王福地2潘夏云1,2李穎穎2符 佳2尹相輝1,2胡睿佶1,2馮雙園1,2石躍江1,3余 羿1葉民友1

1（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 合肥 230026）2（中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031）3（首爾大學(xué) 核工程系 韓國(guó)首爾 151-742）

X射線彎晶譜儀作為托卡馬克裝置等離子體溫度和旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)診斷測(cè)量的重要手段之一，通常利用單晶體衍射分光來(lái)測(cè)量某種特定雜質(zhì)的特征譜，這也限制了彎晶譜儀所能測(cè)量的等離子體溫度范圍。為解決更高溫度等離子體測(cè)量問(wèn)題，有效提高目前彎晶譜儀診斷系統(tǒng)溫度測(cè)量范圍，用雙晶體代替原有單晶體，通過(guò)選擇合適的晶體和Bragg衍射角組合，利用同一個(gè)探測(cè)器同時(shí)測(cè)量類氫和類氦的氬離子光譜，實(shí)現(xiàn)更高更寬溫度范圍測(cè)量。本文就東方超環(huán)(Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST)彎晶譜儀雙晶體應(yīng)用方面的設(shè)計(jì)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了闡述，并首次在EAST裝置上成功實(shí)現(xiàn)了氬離子類氦和類氫譜線的測(cè)量，利用類氦線和類氫線擬合得到的氬離子溫度非常接近，驗(yàn)證了雙晶體結(jié)構(gòu)的可行性。

等離子體診斷，彎晶譜儀，雙晶體，多普勒展寬

X射線彎晶譜儀主要利用等離子體中某種雜質(zhì)離子的特征譜線的多普勒展寬和頻移來(lái)實(shí)現(xiàn)等離子體溫度和旋轉(zhuǎn)速度的測(cè)量，最早在脈沖托卡馬克(Pulsator Tokamak, PLT)上實(shí)現(xiàn)[1]。早期的彎晶譜儀通常采用柱面彎曲晶體，只能單道測(cè)量，Bitter等[2]通過(guò)球面彎曲晶體的應(yīng)用，成功實(shí)現(xiàn)了單晶體下的空間剖面測(cè)量，從而大大提升了彎晶譜儀的測(cè)量能力。彎晶譜儀作為一種被動(dòng)測(cè)量方法，在現(xiàn)有托卡馬克運(yùn)行電子溫度范圍基礎(chǔ)上，通常測(cè)量類氦氬離子伴線單譜進(jìn)行等離子體參數(shù)測(cè)量，不依賴外部中性束注入等，特別適合射頻波加熱和長(zhǎng)脈沖等離子體診斷測(cè)量，因此在東方超環(huán)(Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST)、高場(chǎng)托卡馬克(Alto Campo Toro C-mod, Alcator C-Mod)、韓國(guó)先進(jìn)研究超導(dǎo)托卡馬克(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research, KSTAR)、國(guó)家球環(huán)型實(shí)驗(yàn)托卡馬克(National Spherical Torus Experiment, NSTX)等裝置上得到了廣泛使用，也是ITER裝置診斷的重要組成部分[3?7]。Alcator C-Mod裝置為了在更高溫度下測(cè)量，發(fā)展了測(cè)量類氦和類氫氦譜獨(dú)立譜儀，兩套譜儀單獨(dú)成像到探測(cè)器，能夠獨(dú)立測(cè)量等離子體溫度[6]。

EAST裝置X射線彎晶譜儀(X-ray Crystal Spectrometer, XCS)空間布局如圖1所示，通過(guò)升級(jí)探測(cè)器技術(shù)，在類氦譜測(cè)量的時(shí)間分辨率上有了很大提高，最高可達(dá)10 ms左右[8]。隨著EAST裝置的改造升級(jí)，中性束注入(Neutral Beam Injection, NBI)加熱、低雜波電流驅(qū)動(dòng)(Lower Hybrid Current Drive, LHCD)、離子回旋共振加熱(Ion Cyclotron Resonance Frequency, ICRF)、電子回旋共振加熱(Electron Cyclotron Resonance Heating, ECRH)等輔助加熱功率的增加，等離子溫度將升高到幾千電子伏，原有EAST彎晶譜儀原本以類氦離子譜線作為標(biāo)識(shí)譜線，在電子溫度高于3 keV時(shí)由于芯部類氦濃度可能中空分布，影響譜儀的可靠測(cè)量。為實(shí)現(xiàn)在更高溫度條件下也能夠測(cè)量等離子體溫度，需要提高彎晶譜儀的溫度測(cè)量上限，同時(shí)保證原有的測(cè)量能力。由從冠冕平衡計(jì)算可以看出的氬的各電離態(tài)相對(duì)濃度與電子溫度關(guān)系可知，超過(guò)3keV時(shí)，類氦Ar離子相對(duì)濃度將變得很少，而類氫Ar離子相對(duì)濃度則比較大[9]，因此如果能夠擴(kuò)充譜儀能力來(lái)實(shí)現(xiàn)兩種譜的測(cè)量，則能有效擴(kuò)充溫度測(cè)量的區(qū)間。由于單獨(dú)彎晶譜儀造價(jià)較高，如能利用原有探測(cè)器寬度實(shí)現(xiàn)兩種譜的同時(shí)測(cè)量，就能大大提高彎

晶譜儀的利用率?；谶@些考慮，我們通過(guò)探索同一譜儀上集成類氦和類氫兩塊晶體，通過(guò)選擇合適的晶體參數(shù)和衍射角度，充分利用探測(cè)器的寬度，實(shí)現(xiàn)雙譜測(cè)量，并在EAST上進(jìn)行了初步的嘗試[8]。本文首先詳述了雙晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)考慮和在EAST上的應(yīng)用，通過(guò)比較類氦和類氫譜得到的離子溫度的一致性，來(lái)驗(yàn)證雙晶體的可行性。

圖1 EAST彎晶譜儀診斷系統(tǒng)布局Fig.1 Spatial distributions of XCS on EAST.

1 雙晶體結(jié)構(gòu)

在EAST典型放電溫度下(1?2 keV)，Ar離子在等離子體芯部主要以類氦電離態(tài)形式存在。隨著EAST裝置輔助加熱功率的大幅度提高，等離子體溫度也隨之上升，芯部的類氦氬離子會(huì)進(jìn)一步電離至類氫態(tài)，甚至造成中空的類氦氬濃度分布，造成測(cè)量溫度比實(shí)際低。另一方面，類氫氬離子在電子溫度在2?10 keV都存在一定的份額，因此如果能在原有譜儀增加對(duì)Ar17+離子的測(cè)量能力，則能實(shí)現(xiàn)在高功率輔助加熱條件下等離子體參數(shù)的測(cè)量，同時(shí)也能測(cè)量正常加熱功率類氦Ar離子的伴線譜，這就需要增加晶體用于類氫譜的分光。

考慮獨(dú)立彎晶譜儀的建造成本，如果能在原單晶體基礎(chǔ)上增加新晶體，又能利用原有的探測(cè)器來(lái)同時(shí)測(cè)量類氫和類氦譜，就能大大提高譜儀的利用效率。在兩種譜波長(zhǎng)范圍確定的前提下，晶體的選擇需要考慮兩個(gè)因素：兩者的布拉格散射角相接近，這樣可以限制譜線在探測(cè)器上所占寬度，以避免探測(cè)器因?qū)挾炔蛔愣鴮?dǎo)致譜線丟失，同時(shí)兩條光譜在探測(cè)器上面盡量不要重合。經(jīng)過(guò)調(diào)研，如果類氦晶體采用石英110，晶格間距2d=0.491 30 nm選擇W和Z線作為參考波長(zhǎng)，波長(zhǎng)分別是λ1=0.394 94 nm和λ2=0.399 44 nm，計(jì)算得到兩個(gè)衍射角度分別為θ1=53.5010°和θ2=54.3927°，衍射角度之差Δθ1=0.891 7°；而類氫晶體采用石英102，晶格間距2d=0.456 22 nm通過(guò)計(jì)算得到兩個(gè)衍射角度分別為θ3=54.843 2°和θ4=54.958 9°，衍射角度之差僅為Δθ2=0.115 7°，在探測(cè)器平面上的譜范圍差別也小，可利用探測(cè)器寬度進(jìn)行測(cè)量。雙晶體組件如圖2所示，兩種伴線譜計(jì)算結(jié)果如表1所示。幾條參考波長(zhǎng)衍射角平均值θave=54.43°，考慮球面晶體中心到探測(cè)器表面的距離L=Rsinθave=3 050 mm，類氦譜線在探測(cè)器表面所占寬度近似為ΔL1=LΔθ1= 47.48mm，而類氫譜線在探測(cè)器表面所占寬度近似為ΔL1=LΔθ2=6.16 mm。利用兩個(gè)完整譜線參考波長(zhǎng)的平均衍射角度來(lái)確定譜線在探測(cè)器表面的相對(duì)位置，類氦晶體的平均衍射角θave1=53.95°，類氫晶體的平均衍射角θave2=54.90°，因而譜線相對(duì)間距ΔL=LΔθave=50.57 mm。由此可以粗略估計(jì)兩個(gè)完整譜線在探測(cè)器表面所占寬度近似為77.4 mm，而探測(cè)器探測(cè)寬度為83.8 mm，表明探測(cè)器能夠接收到完整譜線，并且兩個(gè)譜線在探測(cè)器上面的位置不會(huì)重疊。

圖2 雙晶體的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)Fig.2 Simplified structure of double-crystal.

表1 雙晶體組件參數(shù)Table 1 Parameters of the double-crystal assembly.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及分析

安裝了雙晶體的彎晶譜儀在2014年EAST實(shí)驗(yàn)中投入了使用，成功同時(shí)采集到Ar的類氦和類氫譜線，驗(yàn)證了雙晶體概念的可行性。

圖3顯示了在EAST一次放電實(shí)驗(yàn)中測(cè)量得到的類氦和類氫氬譜。在圖3中兩套譜線成像在像素為487(x)×1891(y)探測(cè)器表面，其中色階表示記錄光子數(shù)的過(guò)少，黑線左邊是石英110晶體采集得到的類氦譜線，黑線右邊是石英102晶體采集得到的類氫譜線，兩個(gè)譜線完整成像在探測(cè)器表面，并且兩者之間有明顯界線，驗(yàn)證了雙晶體結(jié)構(gòu)安排的可行性。由于球面彎晶譜儀聚焦是在一個(gè)球面上，聚焦的譜線投影到平面探測(cè)器表面就呈現(xiàn)出圖3所示的彎曲形狀譜線。圖4是將圖3縱軸從1120到1180進(jìn)行并道得到的譜線，詳細(xì)標(biāo)注了各個(gè)峰值所對(duì)應(yīng)的譜線，其中W、X、Y和Z是4條屬于Ar的類氦譜線中的強(qiáng)線，而Lyα1和Lyα2屬于其類氫譜線。從圖3中可以看出，類氫譜線的強(qiáng)度相對(duì)類氦譜線較弱，這一點(diǎn)從圖4具體數(shù)值也可以看出，類氦譜線的強(qiáng)度比類氫要高很多，約為類氫譜線強(qiáng)度的10倍。這是目前的等離子體溫度還不夠高導(dǎo)致的，當(dāng)溫度上升到2?3 keV時(shí)，類氫譜線強(qiáng)度將明顯提高。

圖3 切向譜儀探測(cè)器測(cè)量光譜原始圖Fig.3 The original spectra of tangential XCS.

圖4 測(cè)量的Ar類氦譜線和類氫譜線Fig.4 Measured spectra of He-like and H-like Ar.

圖4 所示雙晶體系統(tǒng)測(cè)量的譜線是兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，在340?380像素之間不存在光譜，并且將譜線分成兩部分，用來(lái)當(dāng)作背景噪音。圖4中每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)是通過(guò)Bragg衍射角來(lái)確定的，因?yàn)轭惡ぞw和類氫晶體的晶格間距不同，因此它們每個(gè)像素對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)大小不同。所以對(duì)類氫譜線，需要對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行重新標(biāo)定。在類氦譜線數(shù)據(jù)處理軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，標(biāo)定之后，采用雙高斯模型對(duì)譜線進(jìn)行擬合。圖5得到類氫譜線的Lyα1和Lyα2兩條譜線，利用多普勒展寬，在Lyα1的基礎(chǔ)上對(duì)離子溫度進(jìn)行計(jì)算。由于目前等離子體溫度相對(duì)較低，類氫譜線強(qiáng)度不夠，特別是在放電的初始階段。因此，從3 s左右開始對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且在處理時(shí)對(duì)時(shí)間積分較大，得到的離子溫度時(shí)間分辨率較差，這些都會(huì)隨著等離子體溫度升高逐漸得到改善。

為驗(yàn)證類氫譜線的正確性，將基于類氫和類氦譜線得到的離子溫度進(jìn)行比較。在3.5 s時(shí)，4.6 GHz的低雜波開始注入，由于此頻率的低雜波主要是加熱電子，從圖6(f)可以看出，電子溫度升高，達(dá)到2keV，由氬的各電離態(tài)相對(duì)濃度與電子溫度關(guān)系可知，這時(shí)類氫離子所占份額會(huì)有所增加，因此類氫譜線強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)提高。如圖6(e)所示，利用類氫譜線和類氦譜線測(cè)量的離子溫度均在0.9 keV左右，說(shuō)明雙晶體應(yīng)用是可行的，并且整套雙晶體彎晶譜儀診斷系統(tǒng)能夠自洽地給出等離子體的離子溫度。

圖5 類氫譜線擬合Fig.5 Fitting of H-like spectra.

圖6 類氫和類氦晶體測(cè)量的溫度隨時(shí)間變化(a) 等離子體電流，(b) 電子密度，(c) 環(huán)電壓，(d) 低雜波驅(qū)動(dòng)，(e) 離子溫度，(f) 電子溫度Fig.6 Temperature changing with time measured by H-like and He-like crystals. (a) Plasma current, (b) Electron density, (c) Loop voltage, (d) LHCD power (purple), (e) Ion temperature, (f) Electron temperature

3 結(jié)語(yǔ)

在EAST全超導(dǎo)托卡馬克裝置上，通過(guò)對(duì)彎晶譜儀診斷系統(tǒng)的升級(jí)改造和物理實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了雙晶體應(yīng)用于同一套譜儀的可行性。在實(shí)驗(yàn)中，同一探測(cè)器上面測(cè)量得到氬離子的類氦和類氫譜線，從兩種譜線得到的離子溫度較接近，證明雙晶體設(shè)計(jì)在托卡馬克等離子體診斷是可行的。在EAST各種輔助加熱系統(tǒng)的協(xié)同作用下，等離子體溫度將會(huì)超過(guò)之前單晶體彎晶譜儀類氦晶體測(cè)量的極限溫度，溫度和旋轉(zhuǎn)速度的準(zhǔn)確測(cè)量將受到影響。隨著類氫晶體的引入，更高溫度條件下彎晶譜儀的應(yīng)用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，并且通過(guò)離子溫度測(cè)量得到進(jìn)一步驗(yàn)證，表明未來(lái)對(duì)于更高溫度下測(cè)量的能力。

1 Bitter M, Von Goeler S, Horton R, et al. Doppler-broadening measurements of X-ray lines for determination of the ion temperature in tokamak plasmas[J]. Physical Review Letters, 1979, 42(5): 304?307. DOI: 10.1103/PhysRevLett.42.304

2 Bitter M, Fraenkel B, Hill K W, et al. Numerical studies of the imaging properties of doubly focussing crystals and their application to ITER[J]. Review of Scientific Instruments, 1995, 66(1): 530?532. DOI: 10.1063/ 1.1146341

3 Shi Y J, Wang F D, Wan B N, et al. Imaging X-ray crystal spectrometer on EAST[J]. Plasma Physics and Controlled Fusion, 2010, 52(8): 085001?085014. DOI: 10.1088/ 0741-3335/52/8/085014

4 Lee S G, Bak J G, Bitter M, et al. Imaging X-ray crystal spectrometers for KSTAR[J]. Review of Scientific Instruments, 2003, 74(3): 1997?2000. DOI: 10.1063/ 1.1535243

5 Bitter M, Hill K W, Stratton B, et al. Spatially resolved spectra from a new X-ray imaging crystal spectrometer for measurements of ion and electron temperature profiles (invited)[J]. Review of Scientific Instruments, 2004, 75(10): 3660?3665. DOI: 10.1063/1.1791747

6 Hill K W, Bitter M L, Scott S D, et al. A spatially resolving X-ray crystal spectrometer for measurement of ion-temperature and rotation-velocity profiles on the Alcator C-Mod tokamak[J]. Review of Scientific Instruments, 2008, 79(10): 10E320. DOI: 10.1063/ 1.2969080

7 Hill K W, Bitter M, Delgado-Aparicio L, et al. Development of a spatially resolving X-ray crystal spectrometer for measurement of ion-temperature (T(i)) and rotation-velocity (v) profiles in ITER[J]. Review of Scientific Instruments, 2010, 81(10): 10E322. DOI: 10.1063/1.3492414

8 Lu B, Wang F, Shi Y, et al. Upgrades of the high resolution imaging X-ray crystal spectrometers on experimental advanced superconducting tokamak[J]. Review of Scientific Instruments, 2012, 83(10): 10E130. DOI: 10.1063/1.4738652

9 Marchuk O. Modeling of He-like spectra measured at the TMarchuk, modeling of He-like spectra measured at the tokamak TEXTOR and TORE SUPRAEXTOR and SUPRA[D]. Jülich: Ruhr-Universit?t Bochum, 2004

CLC TL65.1

Preliminary study on double-crystal for X-ray curved-crystal spectrometer on EAST

CHEN Jun1,2LYU Bo2WANG Fudi2PAN Xiayun1,2LI Yingying2FU Jia2YIN Xianghui1,2
HU Ruiji1,2FENG Shuangyuan1,2SHI Yuejiang1,3YU Yi1YE Minyou1

1(School of Nuclear Science and Technology, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China) 2(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China) 3(Department of Nuclear Engineering, Seoul National University, Seoul 151-742, Korea)

Background: X-ray curved-crystal spectrometer, as one of important diagnostic tool for measuring the plasma temperature and rotation velocity of the tokamak, is usually based on the satellite spectra of some special kind of impurity by single-crystal diffraction, which limits the temperature range to be measured simultaneously. Purpose: This study aims to effectively broaden the temperature range of the spectrometers, an assembly of double-crystal was designed to replace the previous of single-crystal. Methods: The two crystals of the assembly having the similar Bragg angles were installed on the same pedestal, which could make the spectra recorded on the same detector. Consideration and technology route of the double-crystal were described and analyzed together with the experimental tests on the Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST). Results: Experimental results on the double-crystal X-ray spectrometer showed that the He-like and H-like Ar spectra were obtained for the first time, and the ion Ar temperatures calculated by two kinds of spectra were in good consistence within a certain error range. Conclusion: The application of double-crystal for X-ray curved-crystal spectrometers on EAST proposed in this paper is applicable and feasible.

Plasma diagnostic, Crystal spectrometers, Double crystal, Doppler broadening

TL65.1

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.110403

國(guó)家國(guó)家磁約束核聚變發(fā)展研究專項(xiàng)(No.2012GB101001、No.2013GB112004、No.2015GB101001)、國(guó)家自然科學(xué)基金(No.11175208、No.11275233、

No.11405212)、中日韓A3前瞻計(jì)劃項(xiàng)目(No.11261140328)、合肥物質(zhì)科學(xué)技術(shù)中心方向項(xiàng)目培育基金(No.2014FXCX003)資助

陳俊，男，1991年出生，2014年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，研究領(lǐng)域?yàn)榈入x子體物理

王福地，E-mail: fdwang@ipp.ac.cn

2015-08-28，

2015-09-29