EAST托卡马克上截面效应对电荷交换复合光谱测量结果的影响

离子温度和旋转速度是聚变等离子体中的重要物理参数,在先进实验超导托卡马克EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)上电荷交换复合光谱(Charge e Xchange Recombination Spectroscopy,CXRS)诊断是测量这些物理参数的标配诊断之一。由于截面效应的存在,CXRS诊断测量的谱线线型会受到影响,导致得到的离子温度和旋转速度偏离实际值,为了得到真实值,需要对离子温度和旋转速度进行修正。在EAST上,分别采用常用的动力学理论和数值计算方法对测量到的实验数据进行修正,同时对比两种方法对截面效应的修正结果,可以看出两种方法得到的结果趋势基本一致。对2015年EAST上电荷交换复合光谱测量到的典型的实验数据进行修正,结果表明在目前的放电条件下截面效应对离子温度的影响比较小,而对旋转速度的影响低于10%。     

EAST托卡马克电荷交换复合光谱诊断的绝对强度标定

电荷交换复合光谱(Charge e Xchange Recombination Spectroscopy,CXRS)诊断系统主要用于等离子体旋转速度和离子温度的测量。CXRS诊断的另外一个重要应用是通过测量光谱的绝对强度来确定杂质离子的密度,因此需要对系统进行绝对强度标定。在实验前通过精确校准过且各个波长强度已知的积分球光源对系统进行初步的标定;在实验过程中又利用托卡马克装置中等离子体自身产生的轫致辐射对系统的强度标定进行了进一步的检验。通过比较轫致辐射强度的实验测量值和理论计算值,可以发现两种方法得到的结果虽然存在一定的误差,但是它们的趋势是一致的。实验结果表明,利用轫致辐射进行绝对强度标定是可行的。     

辐射驱动燃料离子温度实验诊断

在“神光Ⅱ”激光装置首轮辐射驱动内爆实验中用一套超快猝灭闪烁探测器系统测量了聚变燃料离子温度。分别通过宇宙射线和内爆δ脉冲中子源标定了探测系统的时间响应函数。实验表明：“神光Ⅱ”辐射驱动聚变燃料离子温度约为2～3keV。     

托卡马克弯晶谱仪双晶体结构应用的初步研究

X射线弯晶谱仪作为托卡马克装置等离子体温度和旋转速度等参数诊断测量的重要手段之一,通常利用单晶体衍射分光来测量某种特定杂质的特征谱,这也限制了弯晶谱仪所能测量的等离子体温度范围。为解决更高温度等离子体测量问题,有效提高目前弯晶谱仪诊断系统温度测量范围,用双晶体代替原有单晶体,通过选择合适的晶体和Bragg衍射角组合,利用同一个探测器同时测量类氢和类氦的氩离子光谱,实现更高更宽温度范围测量。本文就东方超环(Experimental Advanced Superconducting Tokamak,EAST)弯晶谱仪双晶体应用方面的设计和技术实现进行了阐述,并首次在EAST装置上成功实现了氩离子类氦和类氢谱线的测量,利用类氦线和类氢线拟合得到的氩离子温度非常接近,验证了双晶体结构的可行性。     

被动式冲击波速度数据处理技术

辐射驱动冲击波速度诊断是辐射驱动聚变和物质状态方程(EOS)研究的重要诊断技术,无论是用冲击波法测量辐射温度还是研究物质状态方程,都对冲击波速度测量精度有较高要求。论文介绍开展的辐射驱动冲击波速度不确定度分析的理论工作,提高了数据处理的准确性。通过建立自动化数据处理平台,将靶参数、条纹相机精密标定数据库以及冲击波图像的处理有机地结合起来,实现了对冲击波速度以及多个参数量对冲击波测量不确定度影响的快速评估。目前神光系列实验中冲击波速度测量的不确定度在1.5%以内。     

贝叶斯反卷积在EAST电荷交换复合光谱分析中的应用

电荷交换复合光谱(Charge e Xchange Recombination Spectroscopy,CXRS)诊断是核聚变装置上测量等离子体离子温度和旋转速度的常规诊断之一。然而在实验中,诊断光通过光谱仪后,由于仪器函数的卷积效应,会使测量到的光谱出现明显展宽,影响数据处理的精度,所以需要对实验测量到的光谱进行反卷积处理。本文采用的反卷积方法是基于贝叶斯条件概率公式推导得出,并结合标准灯获取的仪器函数来进行反卷积,分别从仿真和实验两个方面验证了该方法的可靠性。结果表明将贝叶斯反卷积运用到先进实验超导托卡马克(Experimental Advanced Superconducting Tokamak,EAST)电荷交换复合光谱分析中,能有效提高实验测量精度。结合快速极紫外谱仪(Extreme ultraviolet,EUV),对EAST实验中经过贝叶斯反卷积后测量到的光谱进行了杂质谱线识别工作,进一步提高了精度。     

EAST托卡马克装置的核辐射监测系统

EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)现阶段D-D运行产生2.45 Me V聚变中子及次级核反应γ射线,为了解EAST运行期间辐射场的分布及强度,确保运行期间人员及环境的核辐射安全。针对EAST运行期间装置大厅内部存在较强的中子、伽马瞬变辐射场的特征,结合环境低本底辐射监测的需要,采用宽动态范围、快时间响应的场所辐射监测探测器,与高灵敏度、稳定性好的环境辐射监测探测器相结合的方式,围绕EAST装置布置13个辐射监测点,每点分别安装一台中子、伽马监测器。采用自行编写的Lab VIEW辐射监测软件进行数据采集,组建了一套EAST托卡马克装置的中子、伽马辐射剂量监测系统。该系统在2015年春季EAST实验中连续稳定运行了三个月,可靠性较高,获取了大量实验数据。监测系统满足EAST核辐射监测的要求,同时为后续开展聚变堆辐射安全与防护研究提供实验平台。     

HT-7超导托卡马克上γ辐射的初步研究

尝试了在HT-7托卡马克准稳态等离子体实验平台上，对伽马辐射能谱与通量进行测量与分析。实验中，测量得到了不同放电条件下的伽马辐射能谱和通量的时间演化过程，观测到了丰富的伽马辐射行为。针对欧姆加热、低杂波、离子回旋波、离子伯恩斯坦波、长脉冲等不同放电条件下的伽马辐射行为做了研究，结合其它相关诊断数据，给出了初步的分析结果。     

EAST托卡马克新型积分器系统控制器的研制

为了满足EAST托卡马克的实验需求,提升积分器系统的可维护性和可测试性,研制了新型积分器系统控制器。该控制器采用ARM微控制器和轻量级IP协议栈,实现了积分器系统的网络化控制。所提供的参数设置指令可远程设置和读取积分器板卡上放大器的放大倍数,而控制指令则提供了初始化、标准信号积分、脉冲积分、积分保持、标定和探针测试功能。经实验和EAST现场测试,该积分器系统控制器可满足EAST装置的实验要求。     

同步辐射X射线小角散射溶液样品蠕动实验装置的研制

研制了用于同步辐射X射线小角散射实验的溶液样品蠕动实验装置,其主要特点为可有效抑制X射线对溶液样品的辐射损伤、密封性能好、操作简便,且背景散射低、消耗样品量小,还可根据实验要求实现对样品温度的控制,进行变温原位测量。此外,通过实验对该装置的进样量和蠕动速度进行了标定,对防辐射损伤效果进行了验证。结果表明,该装置控制精度高,并可有效减小X射线在测量过程中对样品的辐射损伤。     

EAST全超导托卡马克上硅漂移探测器软X射线能谱诊断

采用性能优越的15道硅漂移探测器（SDD）阵列,在EAST全超导托卡马克上建立了1套较为完善的软X射线能谱诊断系统,用以测量等离子体在软X射线辐射能段(1～20keV)的能谱。该诊断系统的观测范围基本覆盖了整个等离子体空间,因此,可满足EAST不同放电位形下电子温度测量的要求。利用该诊断系统,可获得时间分辨达50ms、空间分辨约为7cm的电子温度剖面。通过对比发现,由该诊断系统所得到的电子温度与其它电子温度诊断系统所测量的电子温度基本一致。此外,该诊断系统还可监测在软X射线能量范围内出现的一些金属杂质的特征线辐射。     

AXUV探测器标定及受辐照响应衰减研究

在EAST和HT-7装置上,具有宽能谱响应的AXUV光电二极管探测器主要用于辐射功率的绝对测量。探测器在经历多轮等离子体放电中的累积辐照效应后,观察到其表面发生变化。为了解探测器响应衰减程度,设计了相对标定实验,分别采用标准可见光光源和软X射线管作为标定光源,对EAST和HT-7实验中经历过不同放电次数的5个探测器进行了标定。标定结果表明,AXUV探测器在经历了EAST上约25 000次的等离子体放电累积辐照后,其在软X射线能段的响应下降约15%。而探测器在可见光能段的辐照损伤效应主要表现为同一个探测器不同通道之间对可见光响应的不一致性加剧。结合探测器在等离子体放电辐射场中的几何参数,对探测器受到的累积辐照剂量进行了估算。     

EAST中性束注入器大厅内辐射剂量计算与测量

利用解析方法对EAST大功率中性束注入器充氢运行时实验大厅内6个关键点的辐射剂量进行了理论计算,并利用光致光剂量计(OSL)对这些位置点进行了辐射剂量测量。理论计算和OSL测量结果表明:理论计算结果与实验测量结果具有一定吻合度。同时还表明:EAST中性束注入器现有的防护装置满足实验运行时辐射防护要求。     

EAST积分器系统的设计

在核聚变实验中,积分器是还原微分信号的基本手段。长时间低漂移积分器系统的研制是托卡马克实验中的重要环节。以差分式积分器为核心,结合线性隔离技术、程控放大器技术和嵌入式以太网通信技术,设计实现了EAST（ExperimentAdvanceSuperconductorTokamak）积分器系统。提出的系统整体标定方法进一步提高了该积分器系统的精度。性能测试表明,在增益为1时,该积分器在100s内的积分漂移小于10mV,满足了当前EAST实验的需求。该积分器系统已投入EAST的实验中,并取得了良好的运行效果。     

EAST实验场所与人员累积辐射剂量监测

实验型先进超导托卡马克(Experimental Advanced Superconducting Tokamak,EAST)运行时存在一定的电离辐射。依据电离辐射防护与辐射源安全标准和放射性工作人员职业健康管理办法,结合实验监测数据对EAST装置周边环境及工作人员的电离辐射影响状况进行了评估。采用光释光和固体核径迹法,对EAST装置大厅人员通道入口、屏蔽门内外、周边诊断室以及主控制室等场所的中子、γ辐射剂量进行累积监测。共布置了13个监测点,全年连续测量,以90 d为一周期进行剂量片更替与读数。统计分析了2010-2017年EAST装置上从事核辐射相关工作关键岗位人员的个人辐射剂量165人次,并利用Access软件建立了场所与人员的辐射剂量数据库。结果显示:扣除天然本底辐射后,装置大厅外的监测点以及职业人员年有效剂量均低于0.5 m Sv,满足电离辐射防护国家标准的要求。     

GEM相机监测EAST等离子体破裂研究

等离子体破裂是托卡马克运行中常见的一种现象,高参数等离子体运行过程中发生破裂会对实验装置安全运行产生威胁。通过对等离子体破裂的研究,可以在未来进一步做到破裂的避免和主动控制。首先介绍了EAST装置上的等离子体破裂,通过GEM相机对EAST放电实验中几种类型的破裂炮进行二维成像分析,对破裂的发生过程进行了具体分析。并且在分析过程中展示了GEM系统较传统多道系统的优越性,确认GEM可以为破裂机理研究提供有效的诊断数据。     

EAST中央控制系统的改造

EAST中央控制系统是EAST实验调度管理的中枢，协调控制各分系统按照预设参数和控制逻辑投入试验，完成EAST装置的各种运行项目。利用PXI总线设备并结合虚拟仪器技术实现的新EAST中央控制系统可很好地完成对各分系统的参数设置和控制，同时升级改造后的网络环境也为实验的稳定运行提供了保障。改造后的EAST中央控制系统已应用于2012年春季EAST放电实验中，运行稳定可靠，取得了良好的控制效果。     

EAST离子回旋加热高频检波器设计与校准

高频检波器在EAST离子回旋加热系统(ICRH)功率测量中是必不可少的。为了解决高频检波器在ICRH系统中的应用问题,设计了适用于该系统的高频检波器,并测试了高频检波器的性能。首先,使用NI Multisim 14.0软件对其电路结构进行了仿真分析。然后,利用LABVIEW编写了自动标定程序,以测试高频检波器在实际工作环境下的响应时间、幅值区域线性度和可靠稳定性。试验结果表明,高频检波器可在0～10 V工作环境内运行,并且其线性区域符合系统的宽频要求,确保了数据测量的可靠性与准确性。此外,高频检波器也表现出良好的稳定性,能够满足在高频噪声与强电磁干扰环境下长期使用的需求。试验结果证明高频检波器可成功用于EAST离子回旋加热系统中的数据测量。     

EAST离子回旋系统液态相移器的理论设计

对EAST离子回旋系统液态相移器的原理进行了理论分析和计算,结果表明:利用液态相移器可产生相位差,从而可用离子回旋波进行电流驱动。另外,液态相移器也可与单支节液态调配器结合使用,构成传输线阻抗匹配系统。     

CdTe探测器对EAST托卡马克中20–200keV硬X射线测量

介绍了EAST托卡马克装置硬X射线诊断系统。该系统由探测器阵列和电子线路组成,探测器采用水平七道的碲化镉(CdTe)探测器阵列。在EAST托卡马克装置上建立了一套较完善的硬X射线能谱诊断系统,用来测量等离子体在硬X射线辐射能段(20–200 keV)的能谱。实验结果表明,该系统能满足测量相应能量范围的等离子体硬X射线轫致辐射要求。文中给出了碲化镉探测器的标定结果及典型的放电结果。