EAST快速真空紫外光谱诊断系统研制及杂质光谱分析

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聚变等离子体中杂质含量过高会引起芯部辐射急剧增加,降低能量约束甚至引发等离子体不稳定性甚至破裂。如何控制等离子体中杂质含量,是未来聚变堆实现高性能稳态运行所面临的一个重大挑战。测量和分析等离子体中杂质辐射行为对于控制杂质含量和提高等离子体约束性能有重要意义。由于EAST等离子体参数提升,边界区域杂质辐射从可见光波段向VUV波段移动。因此,在EAST上发展了VUV光谱诊断系统来测量边界区域的杂质辐射。该系统采用焦距为200mm的Seya-Namioka型光谱仪,配备了600 g/mm和2400 g/mm两块凹面全息光栅,系统的波长观测范围为50nm到700nm,涵盖了VUV、近紫外和可见光波段。垂直方向空间观测范围为Z=-350-350mm。系统采用了高量子效率的背照光CCD探测器,采样时间最短可设置为5ms。在2019年EAST实验期间,利用VUV光谱系统测量了边界杂质辐射谱线。通过分析碳杂质谱线C IV(154.8nm)和铁杂质谱线Fe II(235nm)的时间演化行为,验证了系统测量谱线强度时间演化的准确性与可靠性。此外,目前EAST已经采用了钨靶板偏滤器,如何控制等离子体中钨杂质含量对于提高等离子体放电参数极为重要。因此需要开展钨杂质辐射测量并探索钨杂质含量控制方法。然而,由于钨原子或钨离子的电子能级结构的复杂性,极紫外波段的钨谱线大部分是重叠的,使得很难利用目前广泛应用的掠入射极紫外谱仪开展钨杂质谱线的测量和识别研究。本研究利用了EAST上的高分辨率双晶体弯晶谱仪开展了高电离态钨离子谱线识别研究。通过类氦和类氢双晶体结构,采用布拉格衍射公式得到的波长为3.9335?、3.9321?和3.664?的谱线。经过与NIST钨光谱数据库中的谱线数据进行对比,初步认定了这三条谱线均为高电离态钨离子的谱线。在假定等离子体中不同杂质离子的离子温度相同的条件下,通过对比这些谱线与常用的氩谱线的多普勒展宽,确认了3.664?位置处的谱线为W44+离子的谱线。而3.9335?、3.9321?处的谱线则为波长相近的多条未知谱线叠加的谱线组,而非单独的谱线。此外,还讨论了芯部钨离子与氩离子的时间演化行为。本研究在EAST上发展了快速VUV光谱诊断系统,测量并分析了边界等离子体在VUV波段的杂质谱线。基于高分辨率双晶体弯晶谱仪,研究了芯部高电离态钨杂质离子谱线,成功识别了W XLV(3.664?)谱线。本研究对于下一步在EAST上深入研究边界和芯部杂质输运物理机制以及发展可行的杂质含量控制方法有重要意义。
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