国际热核聚变试验堆ITER计划专项托卡马克物理试验室托卡马克.docx

1、国际热核聚变试验堆ITER计划专项托卡马克物理试验室托卡马克1.中平面快速扫描探针等离子体边界具有丰富的物理现象， 包括边界物理参数、 剪切层流、 径向湍 流等各种湍流结构，以及 SOL 流等，这些现象往往与等离子体输运紧密联系， 同时波与等离子体相互作用、 偏滤器物理等其他物理研究也需要探针提供基本物 理参数的分布。装备不同类型朗缪尔探头的往复式探针能够扫描测量出边界等离 子体参数的分布， 也能定点获得等离子体边界密度、 温度、 悬浮电位以及相应的 涨落量等物理量， 是分析湍流行为的基本手段之一， 两套可同步运行的探针系统 除可以同时测量更多的物理量外， 还能进行边界大尺度结构的研究。 两套

2、快动探 针系统是 EAST 边界物理特别是刮削层研究的重要手段。EAST 中平面探针系统主要有 J,K 窗口的两套快速往复探针系统组成（ 图 1）。它们环向相差 17,可以提供边界上游数据。 它们最大的运动速度为两米每秒， 可以在 300ms 之内做一次往复运动，从而获得边界等离子体参数的分布信息。 两套探针系统稳定可靠，机动灵活。探针系统的最大安全行程为 500mm 。位移 误差小于百分之一。 探针在一次放电中可以完成多次动作， 具体次数视放电长度 而议。EAST 快动探针系统采用快慢两级驱动模式， 慢动驱动部分使用步进电机通 过丝杠来驱动探针沿着导轨前后运动，行程范围在 1.5m 左右，使

3、得探针到达 SOL 区外侧的等待区域；快动驱动部分则由一个伺服电机和一个电缸组成，伺 服电机的旋转运动通过电缸的循环齿轮带转成直线运动； 同时在快动驱动的电缸 旁平行安装了一个 75cm 长的线性位移传感器， 用于将位置信号转化成电压信号 送到探针采集系统。 慢驱和快驱都有自锁功能， 能够保护探针系统不因为内外压力差等造成探针自行移动。图1显示了 EAST上两套快速往复探针系统的照片图1. EAST上两套快动探针系统2.偏滤器探针诊断系统偏滤器探针是典型的等离子体诊断静电探针， 由于其具有比较高的时间分辨 高、使用方便、可测量的物理量丰富等优点，一直被作为常规的等离子体诊断工 具。偏滤器探针米

4、用三探针阵列，可以测量偏滤器区域的电子密度、电子温度、 压强、靶板表面入射粒子通量以及热通量的时空分布。针对EAST装置的升级改造和实现高性能长脉冲等离子体放电的实验目标，偏滤器探针在2014年夏季EAST实验中也相应进行了升级。为了能够在高参数放电条件下正常工作，将所有的石墨探针头设计成收集面积为 2.5mm 2 的弧面； 由于采用了基于 cassette 技术 W/Cu Monoblock 结构的全钨偏滤器作为上偏滤 器，故对探针系统也进行了全新的设计。下偏滤器探针分布在真空室内的下内和下外偏滤器靶板上，总共 35 组三探 针(其中偏滤器外靶板上 20 组、内靶板上 15 组三探针)，共涉

5、及 D、E、F、 G 四个窗口的下偏滤器靶板。上偏滤器探针采用了陶瓷绝缘支撑结构， 并固定在上偏滤器的靶板上。 不仅 为等离子体位形控制和物理研究提供偏滤器靶板区域基本物理参数； 并用于环向 不对称性研究和 RMP 线圈作用效果的测量。 上偏滤器探针主要分布在 D-E 窗口 和 N-O 窗口，分为两个相同的阵列： (1) 主阵列分布在 D-E 窗口，其中内靶板 14 组、外靶板 13 组三探针，涉及 6 个 cassette 。 (2)辅阵列分布在 N-O 窗口，复 制 D-E 阵列。其中内靶板 14 组、外靶板 13 组三探针，涉及 6 个 cassette 。偏滤器探针诊断系统的基本参数如

6、下： 空间分辨率：上内偏滤器探针和上外偏滤器探针为 12-18mm ；下内偏滤器 探针为 15mm ；下外偏滤器探针为 10mm时间分辨率：20 Q供电: DC 200V, 3A/10A图2所示为 EAST 上偏滤器探针系统极向分布图。图2. EAST上偏滤器探针系统极向分布图3.充气成像系统充气成像系统通过高速摄像机测量充入气体在等离子体边界的辐射可见光强度，可得到边界湍流的扰动，进一步分析可得湍流运动速度及径向电场。 充入 等离子体边界的中性气体一般是氘气或氦气，相应的主要特征谱线分别为 D a线(656.2nm )和Hel线(587.6nm )。在碰撞辐射近似下，并忽略复合，谱线强 度依

7、赖于局域密度ne和温度Te，在碰撞辐射近似下，并忽略复合，谱线强度依 赖于局域密度ne和温度Te，S(photo ns/m3) = n f( ne,Te)A，其中no是局域的中 性粒子密度，A是谱线的辐射衰减率，f(ne,Te)表示辐射强度对局域电子温度和 密度的依赖。衰减率 A比湍流扰动的自相关时间尺度小很多，使得辐射强度只于局域的等离子体参数相关。如图3所示，2012年实验利用GPI诊断揭示了垂直于磁力线平面上的静电 准相干模（ECM）两维精细空间结构。发现ECM出现在最后闭合磁面内部2厘米范围内，极向波长10厘米左右，对应极向模数 m 50，具有典型的气球模结 构特征。图3.使用新研制的

8、具有上下对称观测区域的充气成像系统（ GPI）观测到ECM 的两维空间结构。4.热氦束束发射光谱诊断热氦束束发射光谱（He-BES ）诊断系统能同事测量磁分离面附近区域的电子温度、密度分布及涨落，具有较高的时空分辨能力，是研究聚变等离子体 边界行为的行之有效的诊断手段。结合边界旋转的测量，可全面的研究 H模条件下的相关物理行为，如边界局域模、准相关模、 H模前兆震荡等，在国际各大装置如JET、TEXTOR上都有良好的应用。EAST 上设计和安装的热氦束束发射光谱（ He-BES ）诊断系统可测量区域 覆盖中平面向上180mm 处，R=2226-2266mm ,径向20道，空间分辨0.5-1cm

9、 , 测量采用了滤光片加光电倍增管 （PMT） 测量的方案，使得采样率高达 1.25MHz （可根据需要更换采集系统提高采样率） 。该方案相比使用谱仪测量的方案具有 更高的时间分辨率， 除了可以获得温度密度分布之外， 也可用于涨落的测量， 同 时，诊断在设计上结合了边界旋转的测量（另外的诊断描述） ，极大的拓展了诊 断的使用范围。在装置的侧面注入热氦束时，氦原子与等离子体中的电子，离子发生碰撞， 原子从基态激发到较高的激发态。 处于激发态的原子会通过自发辐射发射辐射 光子，发射光的强度由激发态的布居和自发辐射系数决定。 不同的等离子体电子 密度会得到不同的激发态布居， 对于不同的激发态， 其激

10、发的几率也不同。 此外， 电子和原子碰撞除了可以将原子从低能态激发到高能态外， 还可以将原子激发到 较低能态。原子激发态的去激发包括自发辐射发光过程和与其他电子发生碰撞去 激发过程。 因此，其光谱线的强度有这两个因素的比值决定， 即去激发过程主要 是由于辐射光子还是发生碰撞。 如果主要是辐射光子， 其谱线强度会很强， 如果 主要是通过电子碰撞过程去激发， 则谱线强度相对较弱。 利用主动注入热氦束方 案，观察其发光的光谱线的强度来研究等离子体中局域电子的密度分布。 图 4 显示了 EAST 装置内部的热氦束喷头系统图4喷头安装到位后的照片5.锂束束发射光谱诊断系统髙约束模（H模）的实现，首先在边

11、界要形成边界输运垒，抑制粒子输运，同时托卡马克在H模下运行，刮削层是再循环粒子的一个重要来源区域，研究 理解边界输运垒和刮削层等离子体行为是实现低再循环长脉冲 H模运行必不可少的一步。锂束发射光谱（Li-BES）系统能同时测量刮削层和 Pedestal区域的密 度分布和密度涨落，且具有较高的时空分辨能力，是研究 H模边界相关物理行为的一种非常有效的诊断技术，如边界局域模 （ELMs）、湍流、带状流、粒子输运等，在JET、ASDEX-U上更是作为常规诊断被应用。EAST上安装的Li-BES系统可测量区域覆盖 0.75 W/a1.05，径向16道，极向4道，空间分辨率1cm，采用APD （雪崩光电

12、二极管）作为探测器，能够在较 低光子数下得到较强的信号，时间分辨率0.5必。束发射系统可以实时斩波扣除 背景光，斩波频率最高250kHz。该系统与国际上其他类似装置采用光电倍增管 相比，具有较高的时间分辨率和空间分辨率。锂束发射光谱诊断系统由两大部分构成， 束发射系统和光谱测量系统。束发 射系统较为复杂，从图5可以看出它的基本结构分为离子源(Ion source )、加 速器(Accelerator )、束控制系统(Beam control system)、中和器(Neutralizer) 和束诊断系统(Beam detection system)五个主要部分组成。图5.锂束发射光谱诊断系统(

13、Li-BES)Injector主要部件示意图。锂离子产生之后，此时离子能量较小，为了使锂离子达到更高的能量，系统 配置了外置的偏压电极，这就是加速器(Accelerator )。束控制系统位于加速器 和中性化室之间，由束偏转器和斩波器两部分组成。偏转器包含一组水平偏转板 和一组竖直偏转板，每块偏转板长度不少于 5cm，两组偏转板间距最少 5cm。在每组偏转板上加直流偏压，通过调节偏转板偏压的大小来控制束的注入方向。 斩波器是在水平板施加快速可变的直流偏压，斩波频率 500kHz,斩波电压1000V。斩波周期和斩波电压可调。每块偏转板都需要工作在 300 C的高温下，以防止锂或钠遇到冷的金属在表

14、面形成涂层，影响使用效果。只有中性原子才能被注入到等离子体内部，因此我们需要在锂束进入托卡马 克之前将其中和，变成中性原子，这个过程是在中性化室内实现的。 将高能锂离 子注入到钠蒸汽室，Li+与中性Na原子碰撞，获得电子，变为中性 Li0原子。一个小型Na储存室工作在200-300 C左右，源源不断地提供 Na蒸汽。为了减少钠蒸汽的损失，中性化室中间部分即锂坩埚处于待命状态，温度 200 C左右，放电前60s开始加热，于放点开始时刻加热至 280 C,此时中性化室内Na蒸汽气 压约为0.01pa o中性化室两端始终 通压缩空气冷却，维持在 100-130 C,钠蒸汽遇到冷屏液化 并回流到中性化

15、室中部。在中性化 室进出口处还有一个 Shutter用来阻挡Na蒸汽，只有在束发射前 3秒才打开。锂离子经过中和器之后约有 70%-90%变为中性原子。6.高场侧快速扫描探针高场侧探针是安装在托卡马克高场侧测量等离子体边界参数的探针系统， 借鉴Alcator C-Mod上的高场侧扫描探针的机械结构设计，采用平行四边形的弹出 支架，以及通电线圈在磁场中通电流受力矩转动的原理动作，如 图6:图6.tokamak纵场方向由深蓝色箭头指示，线圈通电流后的磁矩方向由浅蓝色箭头指示，形成力矩由磁矩叉乘纵场得到图示红色箭头标示的弹出方向。 如果纵场反向的话，调节线圈电流反向就可以了。该电流目前采用方波脉冲控

16、制，并对线圈电路的电压电流信号做弹出时刻的实时采样，用基尔霍夫第一定律以及反向电动势计算得到位置与电流， 电压的对应关系，于是可处理数据得到实时位置，下式右侧第一项为线圈在磁场中运动造 成的回路中的反向电动势第二项是线圈自感产生的反向电动势， V, I信号被采集，R电路电阻，可在加正向电流之前加一反向电流，测量得到，这时线圈未运 动，稳态时电流也不变化，右侧两项均为零，B可由efit数据提供，L已经测得， 唯一不确定的是A，指示有效面积，可由安装前的位置数据得知 二的始末值，通 过定积分计算得到：此后位置数据可由不定积分，以及一个积分末值得到，之所以选用积分末值， 是由于探针弹出最深处的位置是

17、比较确定的， 回收到底端有可能受到减震弹簧的 反推，使得位置控制有一定的不确定性。目前可探测位置达到稳态偏滤器位形 SOL区。位置的控制误差计算还没有 相应的台面实验进行标定，准备在合适条件下（初步确定在实验结束之前） 进行 测试，计算；弹出最深处位置是确定的。Q d e 丄 dlV IR = AB cos 日 + L 石墨的三探针，马赫探针做探头，可直接实时指示等离子体刮削层的空间电 位，悬浮电位，饱和离子流，环向流速，从而得到相应的温度，密度， SOL相 应区域的能流等信息。采集电路能相应 1.25MHZ/S的物理信息，分析涨落量。高场侧探针和中平面快动探针，还有偏滤器探针，可以协同工作，

18、揭示比较 全面的托卡马克中刮削层流的信息。图7.上图为安装在EAST高场侧内壁的高场侧探针及周围内真空部件照片, 探针头实际伸缩的方向为径向。7多能段软X射线阵列多能道软X射线诊断（ME-SXR ）是检测EAST边界等离子体切向的有多 种滤光波段的内置前置放大器的诊断。通过采用新颖的紧凑型的光电探测器排布 结构，MESXR可以滤去不同能量段的软 X射线，利用这些被滤去的软 X射线 不同能量段的信息，可以提取出电子温度 Te,电子密度ne，以及杂质信息。这些 电子温度和密度信息的变化即使在快变化 （10kHz）的情况下也可以被测量到， 这可以补充多点汤姆逊散射系统（MPTS）（60hz ）电子温

19、度信息。同时，由于该 诊断观测区域为边界区域，它可以被用于研究 pedestal区域的温度变化，尤其是当其EAST急需的边界温度剖面演化趋势。目前在该区域并无稳定的观察软 X射线的诊断，该诊断的成功搭建将扩充 EAST观测边界软X射线的能力。该诊断系统将五块光电探测器紧凑排布于 CF100的法兰之上，形成了五排的阵列。每块上有20道二极管阵列，与普通的软X射线诊断相比，它显得非常 紧凑如图8所示。在法兰的另一侧，插入电极的五个前置放大器亦紧凑排布于EAST真空室内。特制的支架将探头固定在窗口的斜边用于观测切向视场。 这将测量软X射线的能力从极向视场扩大到了切向视场。这种模块化的设计理念， 使得软X射线系统的诊断放置位置和光路具有更大灵活性。在本系统中，垂直 堆叠的二极管阵列观测着 EAST的切向位置，光路通过相互独立的针孔和滤光 片被二极管收集，通过五个二极管阵列同时观测同样的等离子体区域，并适当选 取不同的滤光片，可以对等离子体发出的 X射线谱进行粗抽样。a） 图8. （a）ME-SXR诊断的探头；（b）ME-SXR诊断的探头拆分图（密封法兰后面为前置放大器）8.基于加热中性束的束发射光谱（BES）众所周知，托卡马克等离子体涨落基本上是垂直于环向（纵场方向）的二维