磁场诱导跃迁用于等离子体磁场诊断的可行性研究及其设备建设和方法探索

摘要

等离子体广泛存在于宇宙空间中,对等离子体的研究不仅可以实现对遥远星体的演化的探索,也可以为当今高新技术的发展提供重要的基础支撑。等离子体研究的一个重要动力就是来源于对解决能源问题的迫切需要。托卡马克装置是实现受控核聚变最有希望的途径之一。而其中的等离子体的磁场强度是影响其能量输运和约束时间的关键因素。通过先进的电子束离子阱(EBIT)装置来分解研究等离子体是当今新兴的等离子体研究方向。本工作通过大范围的理论计算,探讨了在EBIT中通过磁场诱导跃迁来诊断等离子体磁场的可行性,并且为实现未来的实验研究建设了相应的观测平台以及分析手段。具体内容包括:
　　一.系统研究了等电子系列类氖离子第一激发态2p53s1,3P四条能级的激发能,及它们到基态和它们之间各跃迁的跃迁几率。重点研究了在外加磁场的参与下磁场诱导跃迁:B2s22p61S0-2s22pS3s3P0的跃迁几率和该激发能级的退激分支比,以及通过“碰撞辐射模型”方法计算了该跃迁和E1跃迁1S0-1P1的线强(及线强比)随外加磁场及入射电子能量和电子密度的演化关系,以及这些关系在等电子系列中的演化。通过研究找出了可以在实验中进行观测的离子元素。同时预测了这些元素相应跃迁光子的能量范围和谱线强度,以及所需要的实验环境。
　　二.根据理论计算的结果,建设了适合观测磁场诱导跃迁的平焦场谱仪系统以及校刻手段。在精密的变栅距光栅谱仪的搭建中,发展了激光和准直望远镜双向对中装配的方法。在谱仪的能量校刻中,发展了新的校刻拟合方程,实现了单次的全谱范围校刻,成功地校刻了离线测试光源的所有谱线。并且成功实现了在线的磁场诱导跃迁相关谱线的观测和校刻,得到了可信的结果。
　　三.由于磁场诱导跃迁的弱光信号对探测系统的信噪比要求很高,对使用CCD(电荷耦合器件)探测极弱光谱的情况,本工作研究了CCD的探测原理,根据其具有的能量分辨能力,开发了一套高效的弱光子信号分离算法,并且编制了相应的自动化程序。通过该程序的处理,光谱的信噪比得到显著的提高,同时在不对谱线造成畸变的情况下,成功地抑制了多种类型的噪声。
　　四.在基于EBIT的磁场诱导跃迁研究等精密光谱学研究中,亟需对电子束的形态有充分的了解以推算电子密度等重要参数,为此本工作在上海EBIT上建立了电子束X射线狭缝成像系统。为获得高精度的测量,分析了成像过程中包括卷积效应和像素化等过程,并且深入研究了先进的非线性多参数函数的Levenberg-Marquardt(LM)拟合算法,使用LM方法编制了基于积分高斯分布的狭缝成像去卷积自动数据处理程序。通过数据分析,得到了在不同状态下EBIT电子束的束径和束流密度以及电子密度。
　　五.在EBIT多种光谱的分析工作中,基于VisualStudioC++MFC开发了适用于多种光谱的多功能光谱显示和处理软件