EAST束发射光谱诊断BES的研制

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 AdvancedSuperconducting 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659 nm，时间分辨率为1us，空间分辨率介于1-3 cm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p=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 ResonantFrequency)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。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 核聚变的发展和现状

1．2 国内外主要BES诊断的现状

1．2．1 BES诊断的原理

1．2．2 国际上主要BES研究现状

1．2．3 DIII-D BES

1．2．4 MAST BES

1．2．5 国内BES研究现状

本章小结

第二章 EAST装置及中性束注入

2．1 EAST装置简介

2．2 中性束介绍

2．2．1 离子源

2．2．2 中性束传导系统

2．3 中性束和等离子体的相互作用

2．3．1 相互作用过程

2．3．2 多普勒效应

2．4 EAST依托于中性束的主要诊断

2．4．1 电荷交换复合光谱诊断CXRS

2．4．2 运动斯塔克效应诊断MSE

本章小结

第三章 BES诊断的研制

3．1 EAST-BES简介

3．2 窗口选择

3．3 光路设计

3．3．1 收光系统

3．3．2 信号探测系统

3．4 诊断空间分辨率的模拟

3．5 诊断相机的选择

3．5．1 APD相机

3．5．2 CMOS相机

3．5 运动控制

3．7 软件系统

本章小结

第四章 关键部件检测和系统空间标定

4．1 漏光检测

4．2 滤波片检测

4．2．1 模拟估计

4．2．2 实验检验

4．3 空间标定

4．3．1 硬件标定

4．3．2 软件标定

本章小结

第五章 实验结果及联合诊断的预研

5．1．1 诊断系统对NBI的响应

5．1．2 等离子体2D密度涨落

5．1．3 BES信号自功率谱和相关性

5．2 UF-CXRS与BES联合诊断的预研

5．2．1 中性束轨迹模拟

5．2．2 BES与UF-CXRS发射谱模拟结果

5．2．3 EAST实验中的BES与CXRS发射谱

本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果