賓 斌 張洪明 楊 洋 郝強旺 戴 超 王福地 符 佳 李穎穎李 軍 肖 君 呂 波

1（中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院等離子體物理研究所 合肥230031）

2（中國科學技術大學 合肥230026）

3（南華大學電氣工程學院 衡陽421001）

4（復旦大學現(xiàn)代物理研究所 上海200433）

國際熱核聚變實驗堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）和中國聚變工程實驗堆（China Fusion Engineering Test Reactor，CFETR）等裝置由于內(nèi)部器壁高熱負荷的要求，將采用以鎢（W）為主的金屬元素作為面向等離子體材料。由于等離子體與壁之間的相互作用，鎢等金屬雜質(zhì)會進入等離子體，顯著增加等離子體輻射損失，降低聚變產(chǎn)額，甚至引起等離子體破裂，危害裝置運行安全。因此，研究鎢雜質(zhì)在等離子體中的輸運行為并發(fā)展控制鎢雜質(zhì)含量的運行方案對于ITER 和CFETR 的穩(wěn)態(tài)運行有重要意義，一直是托卡馬克核聚變實驗物理研究的重要研究課題［1-3］。

現(xiàn)有的托卡馬克等離子體由于電子溫度一般只有幾個keV，只能將W激發(fā)到較低的電離態(tài)，而且由于鎢原子結構復雜，輻射的線譜結構也相應復雜，目前仍然在繼續(xù)尋找可用于ITER和CFETR上鎢雜質(zhì)輸運研究的最佳譜線，因此進行譜線識別和原子數(shù)據(jù)的實驗驗證是目前面向ITER和CFETR鎢雜質(zhì)輸運研究的重點，也是近年來一直是聚變等離子體診斷領域的熱點之一。

目前，可行的W光譜研究方法是利用能量可調(diào)的單能電子束，如電子束離子阱（Electron Beam Ion Trap，EBIT）等裝置來激發(fā)相關的光譜。EBIT 系統(tǒng)作為優(yōu)良的金屬原子譜線研究平臺，可通過改變電子束能量為研究等離子體里面的鎢雜質(zhì)輸運提供原子數(shù)據(jù)支持。

1986 年，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）的Marrs、Levine 和Knapp 等［4］建成了世界上第一臺EBIT 裝置。隨后國際上主要建成的高能EBIT 有：1990 年LLNL 建成EBIT II（2000 年搬到Lawrence Berkeley 實驗室）［5］，美國國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）于1994年建成NIST EBIT［6］，英國牛津大學于1994 年 建 成Oxford EBIT［7］，日 本 于1996 年 建 成Tokyo-EBIT［8］，德 國 馬 普 研 究 所 于1997 年 建 成Berlin-EBIT［9］，2000年Freiburg-EBIT在弗萊堡大學建成，后遷至海德堡，更名為Heidelberg-EBIT［10］。此外，中國上海EBIT［11］、北愛爾蘭Belfast-EBIT［12］、瑞典Stockholm-EBIT［13］、加拿大粒子與核物理國家實驗室TITAN-EBIT［14］等陸續(xù)被建成。為了節(jié)約成本且同時能滿足相關科學研究需要，國際上也發(fā)展了一些緊湊型中低能EBIT，緊湊型電子束離子阱（Compact EBIT，簡稱CoBIT）大都采用液氮冷卻的高溫超導磁體或永磁鐵，降低了研制和運行成本，操作簡單，如德國分別于1999 年和2001 年建成Dresden EBIT I 和Dresden EBIT II［15］、日本NIFS 的CoBIT［16］、以及復旦大學的兩臺緊湊型EBIT［17］和西北師范大學有一臺CoBIT［18］。

高能EBIT 的能量目前最高能達到200 keV，但造價非常昂貴而且維護成本高。相比較而言，中低能EBIT 具有造價和維護成本低且占用空間小的優(yōu)勢。但目前國際上的中低能EBIT 的能量大多在20 keV 以下，如NIFS 的最大能量為3 keV，德國的Dresden EBIT I最大能量在15 keV，復旦大學緊湊型EBIT 最高能量在5 keV。對于ITER 和CFETR 的鎢雜質(zhì)光譜（Te=20～30 keV）分析來說，中能段EBIT（能量在20～30 keV）具有獨特的優(yōu)勢，既可以滿足芯部又能滿足邊界等離子體鎢雜質(zhì)輻射譜線研究，能對絕大多數(shù)鎢雜質(zhì)高電離態(tài)光譜進行研究。發(fā)展一套該能量段的EBIT，對于分析鎢雜質(zhì)高電離態(tài)光譜，進一步研究聚變堆鎢雜質(zhì)聚芯和輸運具有非常重要的意義。鎢雜質(zhì)譜線識別和原子數(shù)據(jù)的實驗驗證是目前ITER和CFETR鎢雜質(zhì)輸運研究的重點。目前在上海EBIT裝置上開展了低能段下（＜10 keV）鎢離子（W11+、W25+、W26+、W27+、W28+等）電子結構研究，為ITER 邊界等離子體光譜診斷提供依據(jù)。同時還與歐盟的JET 托卡馬克光譜組聯(lián)合開展了W45+、W46+、W50+的X射線光譜研究，獲得了重要的原子數(shù)據(jù)，很好地協(xié)助了雜質(zhì)輸運和等離子體光譜診斷的研究［19］。

緊湊型電子束離子阱大都采用液氮冷卻的高溫超導磁體或永磁鐵，來降低研制和運行成本，同時操作簡單。但是目前CoBIT低能段裝置能量范圍最高為5 keV左右，中能段最高的能量為15 keV，仍然無法用于ITER 和CFETR（Te=20～30 keV）的鎢雜質(zhì)光譜研究，因為考慮到電子能量具有麥克斯韋分布，電子束能量上限至少為30 keV 才能觀測到類似于ITER 和CFETR 等離子體中芯部鎢雜質(zhì)光譜譜線。針對聚變等離子體診斷需求，研制一種低成本，便于運行和維護的中能段（20～30 keV）EBIT系統(tǒng)來研究ITER 和CFETR 等離子體的鎢光譜譜線，為鎢雜質(zhì)輸運研究提供必要的原子數(shù)據(jù)支持。本文提出一種基于中能段電子束離子阱的雜質(zhì)光譜研究平臺（Medium-Energy Impurity Spectra Platform，MISP），采用無液氦損壞制冷機冷卻的低溫超導磁體，電子束能量可達30 keV，電子束電流可達30 mA，可用于觀測到類似于ITER 和CFETR 等離子體中芯部鎢、鐵、氬、氙等托卡馬克常見的金屬雜質(zhì)光譜譜線。

1 MISP系統(tǒng)設計

針對未來ITER以及CFTER裝置運行的電子溫度能段（20～30 keV）的高原子序數(shù)（Z）雜質(zhì)離子光譜的研究，在各EBIT 上尚未深入展開，無法滿足未來磁約束聚變反應堆中高Z 雜質(zhì)離子光譜的測量需求，而且高能EBIT 機時緊張，所以目前有必要針對ITER和CFETR中的鎢雜質(zhì)輸運研究研制一種低成本，便于運行和維護的中能段緊湊型（20～30 keV）EBIT 系統(tǒng)，來模擬聚變堆W 雜質(zhì)光譜，同時也可以應用于其他原子的光譜研究，為托卡馬克相關物理診斷發(fā)展提供重要的原子數(shù)據(jù)支持。作為光譜研究平臺，也可為其他用戶提供光譜分析手段，作為研究平臺進行儀器共享?；谥心芏坞娮邮x子阱的雜質(zhì)光譜研究平臺主要設計參數(shù)為：

電子束最高能量：30 keV（未來ITER 以及CFTER裝置運行的電子溫度在20～30 keV）。

電子束最高束流：30 mA（現(xiàn)有的中低能EBIT的束流范圍一般在10～50 mA，這里考慮收集極熱負荷的壓力，留有一定的余量）。

最高磁場強度：1.0 T（主要考慮電子束半徑的壓縮到100～200 μm，同時考慮緊湊型設計，線圈尺寸不能過大）。

磁體冷卻方式：無液氦損耗制冷機傳導冷卻（如果采用液氮冷卻的常溫超導，由于超導的臨界溫度效應，其磁場強度很難達到1 T，除非采用大線圈）。

1.1 MISP的磁場設計

超導磁場的主要作用是壓縮電子束，增強電子流密度，以加快電離速度。隨著超導線圈所產(chǎn)生的軸向強磁場對它的徑向壓縮，其直徑約縮減為原來的1/30，密度可提高1 000 倍，電離、激發(fā)、復合等原子過程的反應速率隨之大幅提高。磁場不能太高，磁場強度太大了電子束可能不能達到收集極。比如在束流10 mA、磁場強度為5 T 的情況下，電子束能量一旦被降低到低于6.5 keV，就會發(fā)生電子返回的現(xiàn)象［20］。

MISP 的磁場擬采用無液氦損耗的制冷機冷頭傳導冷卻的小型低溫鈮鈦（NbTi）超導磁體（亥姆霍茲線圈）來約束高能電子束，在實現(xiàn)高約束磁場的同時又極大地降低研制成本［21］。根據(jù)MISP的設計需求，漂移管段磁場要滿足磁場強度B0=1.0 T，軸向距漂移管中心L=±15 mm，磁場均勻度優(yōu)于±1‰。MISP 的超導磁場是由兩個平行的亥姆霍茲線圈產(chǎn)生，是一對彼此平行且連通的共軸圓形線圈，每一線圈匝數(shù)都為N匝，兩線圈內(nèi)的電流方向一致，大小相同，線圈之間距離d 正好等于圓形線圈的平均半徑R，如圖1 所示。假設兩個線圈中軸線磁場強度為B，根據(jù)畢奧薩伐爾定理［22］，可以得到：

式中：I為線圈的電流；x為軸向的位置，假設漂移管中心為原點。當x=0、R=d 時，此時兩線圈的中心軸線上磁場最均勻。

圖1 亥姆霍茲線圈示意圖Fig.1 Diagram of Helmholtz coils

考慮冷屏和多層絕熱及導冷結構設計，兩個線圈間隔需要滿足d ＞70 mm，考慮到一定的余量兼顧緊湊型設計，我們設計兩線圈的距離d=75 mm。根據(jù)畢奧-薩伐爾定理，在亥姆霍茲線圈軸線上中心處磁場強度與線圈電流和線圈匝數(shù)成正比，假設為亥姆霍茲線圈軸線上中心處磁場強度B0，則：

我們設計的線圈運行額定電流為20 A，線圈距離d= 75 mm，線圈內(nèi)徑R=75 mm，線圈外徑為125 mm，根據(jù)這些條件，采用 COMSOL Multiphysics5.4 進行了仿真。圖2 和圖3 分別為在COMSOL 環(huán)境下模擬的磁場云圖和線圈中軸線上±60 mm 范圍內(nèi)磁場分布一維線圖。通過圖2 和圖3我們可以看到在這種條件下可以獲得滿足設計要求的均勻磁場。圖4和圖5分別為通過COMSOL模擬得到的EBIT 中沒有加磁場約束或者磁場均勻度不好時候的電子束軌跡，此時部分電子會碰壁而損失掉，這樣在中心漂移管處與離子碰撞反應的電子密度很低，就很難得到我們想要的高電荷態(tài)離子，同時也會造成管道壁的損傷。圖6 為加了圖2 所示的均勻磁場下的電子束軌跡，我們可以看到電子束被很好地壓縮，并可以順利到達收集極。圖5（b）和圖6（b）為將電子束部分進行局部放大的圖，這樣可以更明顯看出兩種情況下的電子束軌跡的差異。

圖2 亥姆霍茲線圈的磁場分布云圖Fig.2 Contour of magnetic field of Helmholtz coils

圖3 磁場線圈中軸線上±60 mm范圍內(nèi)磁場分布一維線圖Fig.3 One dimensional plot of magnetic field distribution within±60 mm on the central axis of the magnetic field coil

模擬結果顯示設計參數(shù)可以滿足磁場強度和均勻度的要求，此結果可以為下一步實際設計提供依據(jù)。實際中我們還要用電流密度做設計優(yōu)化，后期還需要根據(jù)選線的參數(shù)確定匝數(shù)和電流值。磁體供電電流源精度是影響磁場均勻度另一個主要因素，另外匝數(shù)影響到線圈的儲能和感應電壓以及失超后的磁體的安全溫度，這些都是需要進一步考慮。

圖6 均勻磁場中EBIT的電子束軌跡(a)合適比例圖，(b)局部放大圖Fig.6 Electron beam trajectories of EBIT in a uniform magnetic field (a)Fit size plot,(b)Zoom plot

1.2 MISP的內(nèi)電極系統(tǒng)設計

EBIT 內(nèi)電極系統(tǒng)主要由電子發(fā)射極、漂移管、電子收集極三模塊組成。由于電子在中心漂移管中的動能取決于電子槍陰極發(fā)射面和中心漂移管的電勢差，所以在本EBIT 的設計中，關鍵參數(shù)束流能量最高值為30 keV，即要求上述電勢差達到該值。對于高壓系統(tǒng)來說，各電極和周邊不同組件間的電勢差是一個重要限制條件，決定了可以在一個系統(tǒng)內(nèi)維持的最高高壓。設計主要需考慮上述三個模塊內(nèi)部各個電極間、各模塊之間、各模塊和真空腔室間的高壓絕緣。根據(jù)一般的經(jīng)驗，各模塊將分別建立在一個高壓平臺上（有時電子槍和收集極也公用一個高壓平臺）。所以相對而言模塊內(nèi)部的電極間絕緣壓力會小一些，主要的高壓絕緣壓力將在各模塊和地之間。所以在考慮主腔室（即包含磁體的一體式腔室）設計時，我們原則是給各模塊留盡量多的外部絕緣距離，最好限度地保證高壓的安全性和穩(wěn)定性。

根據(jù)文獻［23］中關于真空中帶介質(zhì)的絕緣距離，在非理想情況下，我們盡量控制在超過15 kV/4～5 mm。所以為保證最大的耐壓能力，需控制電極的外部直徑和減少尖端數(shù)目，最終電極模塊設計成圓柱型。由于線圈采用制冷機冷卻，其制冷功率有限，需要懸掛吊裝和冷屏阻擋來降低漏熱。這限制了磁體腔室內(nèi)部的上下間距，為了方便電極模塊的安裝，以及高壓絕緣的考慮，應盡量減小上下出口法蘭的間距。一般而言，帶有液冷的收集極會具有更大的直徑，故將其設計到窗口外，以獲得最大的有效絕緣距離。而電子槍相對直徑較小，其位置將可以深入到法蘭內(nèi)。

為保證大束流輸出不低于20 mA，采用了美國Kimball Physics 的ES-440 型LaB6（六硼化鑭）陰極。該陰極發(fā)射面的直徑為1.78 mm，最大電流發(fā)射能力可達一百多毫安。LaB6具有很好的化學穩(wěn)定性好、蒸發(fā)率低，同時它還有金屬的導電性和導熱性。在真空中，高溫下該材料與本底氣體反應時，生成的化合物的熔點都較低，這些生成物又不斷蒸發(fā)，使LaB6發(fā)射面始終保持純凈的狀態(tài)，這就使得抗中毒能力特別強。由于揮發(fā)較慢，其使用壽命也很長，以幾年計。另一方面為保證電子槍的可靠性，在槍體設計中大量使用導熱藍寶石來實現(xiàn)絕緣和溫度的導出。

1.3 MISP的光譜測量

MISP主要用于觀測X射線波段的雜質(zhì)譜線，采用晶體譜儀具有獨特的優(yōu)勢。相比平面或者柱面彎曲晶體，球面晶體具有雙聚焦特性，根據(jù)EBIT 結構特點，可采用高分辨率球面彎晶譜儀（X-ray Crystal Spectrometer，XCS）。本課題將采用合適的晶體參數(shù)（如2d=0.491 nm），通過設計可調(diào)角度的晶體支撐，可以靈活調(diào)節(jié)觀測波段，覆蓋從0.2～0.4 nm波長（Bragg 衍射角28°～54°），估算球面晶體采用曲率半徑1 500 mm 時，可以獲得8 000 左右的光譜分辨本領。彎晶譜儀的設計思路為：

1）采用多晶體組合的衍射單元（包括單晶體和雙晶體）；

2）將出射孔置于CFm（晶體中心C 和水平聚焦點Fm）之間，以獲取較高的光通量；

3）衍射角為：θave=53.946°；

4）球面晶體的中心點C點至探測器的中心點A點的距離是：AC=fm=R·sinθ= R·sinθave=1 500 mm×sin53.946°=1 213 mm；

5）W線和Z線在探測器上的間距近似為：Δxwz=R·sinθave·Δθwz=18.88 mm；

6）對于PILATUS 900K 而言，其最好的空間分辨能力為Δx=0.172 mm，則球面彎晶譜儀診斷系統(tǒng)的譜分辨率為：λ/Δλ=tanθave·R·sinθave/Δx=9 685。

1.4 MISP的輔助系統(tǒng)設計

MISP 輔助系統(tǒng)主要包括真空系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)、注氣系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。由于EBIT內(nèi)等離子體密度極低，其真空室真空度要達到10-8Pa 量級，對真空室材料和焊接技術方面有著極高的要求，所以在真空腔室的加工過程中要極其嚴格。參照上海SH-PermEBIT 和SH-HtscEBIT 超高真空腔體的設計［24］，其采用一臺最大抽速約為300 L·s-1的安捷倫分子泵以及一臺小抽速的安捷倫分子泵，抽速約為70 L·s-1，經(jīng)過3 d可達6.6×10-6Pa，經(jīng)過3 周以上的時間，真空度可達6.6×10-7Pa，實際上腔體中心區(qū)域比規(guī)管測量處的真空度要高，極限真空可達10-8Pa量級。實際上真空度優(yōu)于4×10-7Pa就達到產(chǎn)生高電荷態(tài)離子的實驗條件。為了確保達到所需的真空度，我們設計也采用兩臺渦輪分子泵，一臺大抽速分子泵，抽速為600 L·s-1，以及一臺小抽速分子泵，抽速為70 L·s-1，配合干泵，再加上烘烤，由于制冷機的制冷，可以使超高真空腔體的溫度達到100 K 以下，實際可實現(xiàn)腔體真空度要優(yōu)于上海兩臺裝置。

為實現(xiàn)傳導冷卻需要將磁體杜瓦配置一臺制冷機。選用住友SD-415D 型號的制冷機，其制冷能力為：1st 35 W@50 K（50 Hz）；2nd 1.5 W@4.2 K（50 Hz）?？紤]到一級冷頭到磁體冷屏會有20 K以上的溫差，一級冷頭溫度按照小于4.5 K 設計，則漏熱要小于25 W。

注氣系統(tǒng)采用成熟的差分微量氣體注入系統(tǒng)，通過微量閥將氣體注入四通混合腔，然后通過差分長管，并經(jīng)過吹氣口進入到阱區(qū)。阱區(qū)相應窗口也做了對應的接口設計。吹氣口采用藍寶石或聚四氟乙烯保證絕緣。

高壓系統(tǒng)設計包括兩個電源機柜陣列，一個是電子發(fā)生器和收集器平臺，另一個是漂移管平臺。電子發(fā)生器和收集器平臺包含電流源1 臺，5 kV 電壓源5 臺，30 kV 電壓源1 臺，隔離變壓器1 臺；漂移管平臺包含5 kV電壓源兩臺，10 kV電壓源1臺。

控制系統(tǒng)設計將采用C++開發(fā)，整合各個電源的控制和回讀，并進行記錄和顯示。同時整合部分主要分子泵、干泵以及閥門的控制和回讀。系統(tǒng)將基于Windows系統(tǒng)編寫，使用工控PC控制。

2 結語

本文提出了中國科學院等離子體物理研究所基于中能段電子束離子阱（EBIT）雜質(zhì)光譜研究平臺的（MISP）概念設計，主要包括內(nèi)電極系統(tǒng)設計、磁場設計、光譜平臺及其他輔助系統(tǒng)設計。MISP設計的電子束的能量上限為30 keV，電子束的束流上限為20 mA，漂移管中心均勻磁場強度為1.0 T，磁體冷卻方式為無液氦損耗制冷機傳導冷卻。EBIT 的優(yōu)勢是電子束能量單一且連續(xù)可調(diào)，SHF-EBIT可以作為未來ITER 以及CFTER 裝置運行的能段（20～30 keV）的高Z雜質(zhì)離子光譜研究平臺。