等离子体所在弯晶谱仪诊断关键技术研究方面取得新进展

　　 近日，等离子体所EAST团队主动束光谱诊断课题组在弯晶谱仪光谱研究、面向聚变堆的诊断技术储备等方面取得了新进展，研究成果在Nuclear Fusion和Physics of Plasmas等期刊发表。

　　等离子体离子温度，旋转速度是表征聚变等离子体性能的重要参数，也是开展众多等离子体物理问题研究的数据基础。弯晶谱仪通过测量等离子体杂质谱线的多普勒频移与多普勒展宽来测量离子温度和旋转速度。由于弯晶谱仪测量原理清晰，且不需要中性束注入辅助，目前被广泛地应用于国内外众多聚变装置，也是ITER等聚变堆装置上的诊断手段之一。主动束光谱课题组近年来对弯晶谱仪系统进行了多次性能升级，目前可以稳定可靠地提供EAST等离子体芯部至ρ=0.7区域离子温度与旋转速度剖面，通过发展高效的剖面反演手段，获得了和电荷交换复合光谱一致的离子温度和旋转速度分布，提升了评估芯部等离子体参数的准确度【1】。

　　EAST和下一代聚变装置均选择了钨（W）作为面向等离子体的偏滤器靶板材料，所以在主等离子体中不可避免地会引入钨杂质离子。如何将钨杂质浓度控制在可接受的范围之内，是目前聚变研究所面临的关键物理和技术问题之一。另一方面，由于钨杂质在高参数等离子体也很难完全电离，因此，通过分析钨杂质离子辐射谱线也可以提供聚变堆等离子体中芯部离子温度、旋转速度等重要物理参数。课题组基于弯晶谱仪开展了大量的钨杂质光谱仪研究，为等离子体中钨杂质输运和钨杂质含量控制方法研究提供了丰富的数据基础。通过优化诊断系统波长观测范围、发展钨杂质辐射剖面反演方法和原位强度标定手段，获得了多条钨杂质谱线，并实现了芯部高电离态钨（W44+）杂质浓度分布的精确测量，在EAST上系统开展了钨杂质控制物理实验研究，直接观测到射频波芯部加热对于杂质聚芯的缓解作用【2，3】。

　　除了开展钨杂质光谱研究之外，课题组也进行了其他可行的面向聚变堆的弯晶谱仪关键诊断技术的探索，开展了基于氙（Xe）光谱谱形分析进行高参数等离子体离子温度与旋转速度测量的可行性研究。通过原子物理程序开展模拟计算，验证了氙光谱测量离子温度的可行性，并在EAST物理实验上首次测量到与理论预测相符的氙谱线，并基于Xe杂质谱线分析，获得了离子温度等等离子体参数【4，5】。

　　相关研究得益于等离子体所EAST大科学装置团队成员间的共同协作，并得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院科研仪器设备研制项目、安徽省杰出青年基金、磁约束聚变安徽省实验室开放基金等项目的资助。

　　论文链接：

　　1. Z. Lin, et. al., Plasma Sci. Tech. 25 (2023) 095102.

　　2. L. He, et. al., Plasma Sci. Tech. 22 (2020) 084002.

　　3. Z. Lin, et. al., Phys. Plasma 30 (2023) 032505.

　　4. D. Lu, et. al., Rev. Sci. Instrum. 92 (2021) 043544.

　　5. D. Lu, et. al., Nucl. Fusion 63 (2023) 056002.

　　图1：反演得到的旋转速度（vt）与离子温度（Ti）局域剖面与电荷符合交换光谱（CXRS）对比结果

　　图2：左图为EAST上弯晶谱仪系统测量得到的典型谱线，右图为测到到的W44+离子密度

图3：理论预测与实验测量的Xe光谱对比

图4：Xe光谱的详细信息