EAST束发射光谱诊断BES的研制

发布时间：2020-07-31 20:48

【摘要】：等离子体的密度涨落是研究湍流,L-H转变和粒子输运等物理过程的重要的物理量,尤其是2D(2 Dimension)的等离子体密度涨落还可以直观的给出湍流的结构等现象。束发射光谱诊断BES(Beam Emission Spectroscopy)是一种具有高时空分辨率的2D等离子体密度涨落诊断,它能给出一定的空间范围内的等离子体密度涨落信息。本论文工作完成了 EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)上BES诊断的研制,包括系统光路的设计、重要元器件的选择、诊断系统的搭建、关键元器件的测试和检验、诊断观测面的空间标定。该诊断已用于EAST物理实验,测量到可靠的等离子体密度涨落数据。本论文的主要研究内容概括如下:BES诊断系统依赖于EAST装置的中性束注入NBI(Neutral Beam Injection),诊断测量的信号是NBI注入等离子体与等离子体发生一系列的相互作用之后,中性束粒子退激发而辐射的具有多普勒频移的特征谱线。论文对EAST装置的NBI的产生、与等离子体相互作用、辐射BES信号的全过程进行了分析,计算给出了BES诊断的有效信号。确定了诊断所测量的有效信号的谱线,从诊断窗口的选择、收光系统、信号探测部分、关键元器件的选择等方面对BES诊断进行了设计,最终在EAST装置上完成了 BES诊断的硬件搭建。BES诊断测量多普勒红移之后的Dα特征谱线,波长为659nm,时间分辨率为1 us,空间分辨率介于1-3cm之间(芯部分辨率高,边界分辨率低),诊断区域可以在归一化半径ρ = 0-1.2的范围移动,共128道(径向16 ×极向8或者径向8 ×极向16)的2D等离子体密度涨落诊断。本诊断是2D诊断,诊断区域可以在径向按实验的需求进行调整,运动控制系统必不可少。本诊断的软件系统采用IDL(Interface Description Language)程序编写,对诊断的所有参数设置和其它的控制命令都采用一一对应的编写方式,并且将这些命令集中在一个GUI(Graphical User Interface)控制面板,方便诊断的命令设置和问题排查与解决。本诊断采用的是透射式的光路设计,当系统搭建完毕之后对光路中重要的元器件进行了必要的漏光检测和诊断系统的空间标定。通过比较加入光路挡板和未加入光路挡板的信号透射率,证明了光路不存在漏光现象,证明了光路的合理性。根据光路可逆性原理,采用硬件的方式完成了诊断的空间标定。根据比对的思想,发展了软件空间标定方法。在EAST进行物理实验时,通过BES诊断测量到的实验结果与低杂波加热LHW(Low Hybrid Wave)、离子回旋共振加热 ICRF(Ion Cyclotron Resonant Frequency)以及中性束注入NBI之间的关系,确定了诊断测量到的信号只来自于NBI的注入,同时对NBI注入的响应是实时的,给出了等离子体密度涨落的2D图,看到了明显的湍流模式。对联合超快电荷交换复合光谱诊断UF-CXRS(Ultrafast-Charge eXchange Recombination Spectroscopy)发展一套诊断等离子体压强的联合诊断的可行性进行了前期光信号通量的模拟计算。模拟过程中,汤姆逊散射提供了实验的等离子体密度和电子温度;Strahl code代码计算了碳杂质C6+的径向分布,模拟结果和实验结果对比表明,联合诊断的光通量完全满足诊断探测器的要求。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL631.24
【图文】：

示意图,光纤束,示意图

图１．１邋Ｄｉｌｌ－Ｄ对ＢＥＳ诊断光纤束的升级示意图。标记为粉红色区域的光纤束为逡逑一道ＢＥＳ信号探测道。逡逑图１．邋２表示的是ＤＩＩＩ－Ｄ上ＢＥＳ诊断的光路示意图，图中灰色的矩形表示的逡逑是环向磁场线圈，灰色三层的圆柱表示的是ＢＥＳ诊断的收光物镜，在收光物镜的逡逑后端是两个反射镜，诊断的光纤束被三轴旋转平台固定在反射镜的后端，光纤的逡逑长度达４０邋ｍ，直接将实验信号引导到位于远端的信号探测器（远离中子和Ｙ射线）。逡逑从图中可以看出，ＢＥＳ诊断测量的是多普勒蓝移信号，信号通过收光镜头之后在逡逑到达光纤束阵列之前被两片折叠反射镜进行了光路的调节，实验信号最终通过光逡逑纤束到达后端的滤波片被滤波和信号探测系统被记录探测。逡逑９逡逑

示意图,托卡马克装置,光路,示意图

ＤＩＩＩ－Ｄ－ＢＥＳ升级完毕之后，用ＢＥＳ诊断验证了捕食者模型，同时给出离子体密度涨落，如图１．邋３所示。每幅密度涨落之间的时间隔为２似，色实线表示的是等离子体最外层闭合磁面，黑色的带箭头的短线表示的态程序规划时间延迟法计算的速度场，浅灰色和黑色的区域表示的是正，红色的区域表示负涨落，绿色的区域为平衡密度。其相关成果发表邋ＰＲＬ邋期刊［１０１］。逡逑态程序规划（Ｄｙｎａｍｉｃ邋ＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇＡｎａｌｙｓｉｓ）的时间延迟法：如果考虑的问解为许多的子问题，同时这些子问题之间具有一定的最佳结构，那么就数学中的迭代优化法找到问题的最优解法。逡逑定有两列时序信号和Ｗ逦首先求解他们之间可能存在的所有（不同的／和邋＞），得到一个“剩余量矩阵”：逡逑Ｋｉ，ｊ）邋＝邋＼Ｍ（ｉ）－Ｎ（Ｊ）＼逦（１－１）逡逑（５－１）中的矩阵／Ｉ邋６）力的大小和两列时序信号长度相关。假如这两列信逡逑

时间序列,涨落,等离子体密度,最佳路径

ｉ邋１邋６那么假如这个时间差ｔ是变化的呢？此时矩阵＆邋的不再出现在一条直线上，为了找到这个变化的时间延迟，根据动态程序想，找到矩阵＆邋ａｗ中沿何种最佳路径之和达到极小值，那么该路径的时间延迟，将这个和记为逡逑Ｈ邋（ｉ，邋７邋—邋１）邋＋邋ｈ｛ｉ，邋７邋—邋１）邋＋邋ｈ｛ｉ，邋７）逡逑＝邋ｍｉｎ邋Ｈ｛ｉ邋－邋ｌ，ｊ邋－邋１）邋＋邋２邋ｘ邋［ｈ（ｉ邋－邋ｌ，ｊ邋－邋１）邋＋邋ｈ（ｉ，ｊ）］逦（１－２）逡逑、邋Ｈ（ｉ邋－邋ｌ，ｊ）邋＋邋ｈ（ｉ邋－邋ｌ，ｊ）邋＋邋ｈ（ｉ，ｊ）逡逑其中／／邋（ｉ，逦的初始条件为：逡逑＝邋＼逦0，邋ｉ＋ｊ邋＝邋ｑ逦（１－３）逡逑［00，＼ｉ邋－邋ｊ＼邋＞邋ｑＭ邋（ｉ＋ｊ）邋＜ｑ逡逑（１邋－３）式中的为在检索最佳路径是设定的最大偏移量，根据式（１－２）迭代，即可找到最佳的路径，确定这两个时间序列和ｙＣＰ之延迟，结合这个两个时间序列之间的空间距离，可以计算出速度涨落的，对于２Ｄ的ＢＥＳ诊断，即可获得２Ｄ的速度涨落时间演化。逡逑Ｔｉｍｅ邋（ｍｓ）邋１５５７．９７４逦Ｔｉｍｅ邋（ｍｓ）邋１５５７．９７６逦Ｔｉｍｅ邋（ｍｓ）邋１５５７．９７８逡逑

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