EAST上辐射量热诊断系统建立及初步实验研究

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在高温等离子体中,各种粒子之间存在复杂的相互作用,并发射出从红外到软X射线波段的电磁辐射。等离子体对大部分辐射是光薄性的,射线不会被等离子体吸收。辐射是等离子体中很重要的能量损失方式之一,它会影响等离子体的功率平衡和约束。在核聚变实验装置托卡马克上,辐射量热诊断主要用于测量等离子体放电期间的辐射功率,是很重要的基本诊断手段。本论文系统介绍了EAST装置上两套辐射量热诊断系统的研制和应用。基于发展建立的诊断系统,初步研究了不同放电条件下的辐射功率分布演化和辐射功率损失水平及其与等离子体参数的关系。  EAST上两套辐射量热诊断系统采用不同的探测器。一种是金属膜电阻探测器。该探测器属于热探测器类型,探测器的输出响应不依赖于光子的能量,对红外到软X射线范围内的光子都有很好的线性响应,适合用作绝对辐射功率的测量,而且探测器对于低能中性粒子能量损失也有响应。另一种是适用于真空紫外绝对测量的硅半导体AXUV(absolute extreme ultraviolet)光电二极管阵列。它的优点是具有微秒量级(μ s)的时间响应、结构紧凑、成本低。缺点是探测器的响应对光子的能量有一定的依赖性,尤其是在光子能量小于30 eV的低能范围,探测器响应波动较大,这限制了使用AXUV探测器测量数据计算总辐射功率的精度。理论上,用于绝对辐射功率测量的探测器的能量响应最好是常数。但AXUV探测器快的时间响应使它适于测量瞬态辐射行为,并能分辨出金属膜电阻探测器不能分辨的辐射过程。这两种探测器的结合使用可以相互弥补不足,为实验提供可靠的数据分析。  对金属膜电阻探测器系统的研制是本论文的重点工作。从2008年开始系统研制的调研和方案设计,2009年实验期间进行了前期预研并确定了系统的基本设计方案,2010年完成整套系统的组建并首次应用到EAST实验中。之后对系统在实验期间遇到的各种技术问题进行了仔细深入的研究和解决,主要包括系统的接地方式研究、探测器内部电路和工艺的改进、电子放大电路的优化,温度梯度对信号漂移的影响等。2012年实验中整套系统安装在水平E窗口,分为三个针孔相机阵列,共48道,中间的阵列有32道,主要用于观测主等离子体区域,极向空间分辨率约为4cm,上下两个边缘阵列分别为8道,用于观测上下偏滤器区域,极向空间分辨率约为3cm。此外,论文工作为EAST上设计并发展了多套AXUV测量阵列。经过实验中对系统的不断优化,保证了测量系统的稳定性和可靠性。完成的AXUV测量系统包括两套水平观测阵列和一套上垂直窗口观测阵列。两套水平阵列各为16道,观测范围为等离子体极向截面从中心至上下X点附近,极向空间分辨率为6-7cm,安装在EAST的水平C窗口。一套上垂直阵列16道,安装在C的上窗口,从垂直方向观测等离子体截面,观测范围是通过主等离子体观测下偏滤器区,极向空间分辨率约为4cm。  针对系统测量数据,编写了数据处理程序。对比分析了不同二维反演算法的优缺点。针对目前EAST上AXUV测量阵列的布局,选择了合适的算法,实现了对辐射功率密度分布的二维反演重建。统计分析了欧姆和低杂波条件下辐射功率损失比例随等离子体弦平均密度的变化。结果显示,辐射损失比的范围在15%-60%之间,辐射损失比例随电子密度的增加呈现增加的趋势。研究了欧姆和低杂波条件下的功率平衡问题,通过几项诊断测量得到的总功率损失占输入总功率的比例在65%-100%之间。在杂质注入实验中,研究了气体杂质注入后辐射功率分布的变化。结果显示辐射功率分布的变化与充气位置和放电位形有关。分析了高约束模(H-模)放电中的辐射功率演化特性。进入H-模之后辐射总体增加,边界局域模(ELM)的爆发会引起辐射功率分布的变化。通过二维反演技术,分析了ELM过程中偏滤器区域辐射功率分布的变化。ELM爆发期间X点至外靶板区域的辐射明显增强,而内靶板区域的变化不明显,呈现内外不对称性。在目前EAST实现的H-模放电中,由ELM引起的辐射能量损失占内能损失的比例小于10%。
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