HL_1装置脱离等离子体及边界等离子体杂质辐射的观测

1、1994-201 i China Academic Journal l：k lie Publi .： House. All rights reserved, httpr/jvmynki net笫8卷第4期核聚变与等离子体物理1 9 8 8 年 12 月Nuclc&r Fusion and Plasma PhysicsVol. 8t No. 4Dec.19 8 8HLt装置脱离等离子体及边界等离子体杂质辐'射的观测冯兴亚罗俊林张清春王方成(西南物理研究所,四川,乐山)首次用三道光纤探测器，伸入HL-i裝置內真空室，采集活动石墨孔栏处等离子体光信号，用 22m石英长光纤传输光信号至

2、控制室进行观测.通过边界等离子体Ha和杂质辐射的时空分布，初 步探讨了 HL-1装置的脱离等离子体.关键词 光纤探测器，脱离等离子体，边界等离子体，石英长光纤.-、引 言近年来，国际上对等离子体删削层的研究产生了极大的兴趣。而Marfe-*.(Macroscopic Asymmetric Radiation for Edge)和DP(S»41(Detached Plasma)是托卡马克等离子 体删削层中重要和前沿的课题。它对破裂不稳定性、杂质辐射、孔栏和器壁功率辐射损失、 等离子体输运过程分析的简化、边界等离子体状态及中心杂质的控制等具有重要意义。目前，已有5个大型托:马克裝置对Ma

3、rfefnDP进行了观测和研究，取得了较大进展。 我们在HL-1 装置/?= 103cm,孔栏半径1620cm, Bt>2.3T, «e>2.7 xq$5, Pm=1.06xl0'*Pa时，观测了DP现象。重复性较好，等离子体脱离孔栏一般为 3.54cm e二、原理及实验布局托卡马克装置出现Marfe和DP状态可由下式估计f:町(1)式中Q是破裂密度极限因子；礼是平均电子密度，单位1020m-% /P是等离子体电流，单位 MA,九是孔栏半径，单位m。当0.4WQW0.7,可能出现Marte, P=0.51.0, 能出现DP。通常DP出现在密度极 限的(70100)

4、%处.在DP状态下，等离子体表而形成-个冷辐射层，等离子体半径 如。等离子肚与孔栏脱离，祢为“脱离等离子体”(DP)。等离子体半径由下式决定234Qd=8(几"7V川(cJp/Sco/Bj%"(1 一"几/几/(1 一匚2/血2)1/2.( 2 )血以cm为单位,aa=3,7'o=re(r)=Te(0)以eV为单位，7 =几(血)以eV为单位，S= Si厶(7), 6=0.13c%/2、/ 2 加。DP状态下输入功率的70%以上由等离子体表面辐射，孔栏与器墜上的功率损失很少。 这个区域电h温度很低。基本是原子或低次离化辐射，主耍是可见光和近红外波段。因此，

5、 通过功率辐射损失和可见光辐射时空分布测量，可以观测和研究DP的出现和特点。DP层极 对称和环对称的，庄大环任一位置，对等离子体小环截面进行观测都可以得到DP信怠。但 是，选择孔栏所在的铮离子体截面是敲理想的。实验布局如图1所示。三道光纤探测器伸入HL-1装星内贡空室，采集匚，心，几的等离 子体光，成参到光纤端而上，通过-光纤A, B将光信号送到单色仪入射狭缝，分光后，由出接收透P孔栏孙亀爲子体毎面；5 於动7湮孔芒；O'等离于体中 心;0几何中心；f 光学头；AM. A” Bit Bi玖琅光 纤光导；B： 22m长光纤；1光纤光导转接器；Dh !)：, D, 单色仪；H光学头支架；T

6、lt T.一光电倍壇管；0(= 165cm)门(=14cm), n(=lcm)一光学头接收的等离子体物点到 中心的距离；S生物屛蔽埼.1准直筒；2镜筒：3 镜；4调节筒；5光纤光导.1. 光纤探测器光纤探测器由光学头和光纤光导组成，如图2所示。光学头由接收透镜和镜筒级成。透 镜焦距/=7.0cm, 0=3.Ocm,准直筒长7cm,限制接收等离子体体积,屛蔽侧向等离子体 喷镀。调节筒可前后移动光纤光导端而，使不同位置的等离子体准确清晰成象到英端面上， 实现水平方向空间分辨。光纤光导由长1.5m, =0.5cm的光纤束和不锈钢软管外套组成。 满足了强磁场和高真空条件下测虽的需要c2. 分光系统和光

7、电接收分光系统是WDS-3光栅单色仪，色散27nm/mm,光谱分辨0.5nme实验中，选择在 ±0.3nm内没有其它强线的谱饯进行测显。光电接收用EM195583光电倍增管，S2°光阴 极，波长范IH320810nm。光电倍増管用玻莫合金、低碳钢、铜及4.5.cm铅多层屏蔽。但 Ts无铅屏蔽°1994-201 i China Academic Journal l：k lie Publi .： House. All rights reserved, httpr/jvmynki net三、实验结果和分析1. DP初步观测在HL-lg置放电中，当A<I00kA,B

8、T238T,礼2.7X 10%“时,通过H°656.3nm, Cl 464.7nm辐射时空分布测虽，多次观察到DP迹象。图3是第4973次放电H。辐射强度时空 分布。放电参数为 /p=80kA, Bt=2.38T, fi8 = 3.3x 1019m'3, aL=18cm, PHi=1.06x lOPao图4上线是第4973次放电，160ms,活动石墨孔栏处，等离子体截面上，H。辐射强度 垂直径向分布。图4下线是CH在该截面上垂直径向分布(第4966次放电)，放电参数4=88kA, Br=2.43T, m=18cm。从图3, 4可知离孔栏表面内侧3.5cm, H., Cf辐射强

9、度 最大，孔栏表面很小，等离子体半径血=14一 16cm。将第4973次放电参数代入(1),(2)式，图4 Hq CI辐射强度垂直径向分布0是孔栏表面；横座标“十”扌旨向等离子体中 心，“一”指向器壁；纵坐标为相对单位上氏、中线和下线分别为H, fa, r,外Ha强度.得到5）计=15.5cm, p=0.41, 9=4.725。放电参数相近的5次放电的切理论值和血实验值列于表1。从表可知，实验值与亟论值基 本相符。表1 OD理论值与实验值的比较放电序号Bt.TZp.kA«e.叫cmTo, eVTb.eVS.W/cnP-od 计,cmgd 实,cmpq49722.38802.81881

10、81000-215.81L160-414.7349732.38803.3187501000-216.514 一 160.4144349T42-50803.0187101000.213.T14-160484皿4978248923.11814b1000-2154U-160444449T92439034187831000-215.70444.1实验结果与垂直方向位移进行了比较。图5是第4973次垂直位移。130ms前等离子体向 上漂移，130ms后向下標移，160ms时，等离子体向下漂移0.3cm,200ms时漂移小于0.5cm. 因此，实验测最的等离子体脱离孔栏3.5cm,不是位移彩响。综上所述，

11、我们认为，在一定的放电参数下，HL-1装置出现了DP迹象。2.边界等离子体杂质辐射观测当等离子体温度较高时，氢谱线、轻杂质低次谱线、金属原子谱线主要由边界层贡献.图5等离子体垂直位移0丸栏表面；纵粕*-"指向導禺子体中心.边界层杂质的输运，可能是中心杂质控制的关键，中心杂质的控制是实现“点火”的重要因 素。因此，边界层等离子体杂质辐射也是当前重要的研究课题之一。本实验观测了 HL-1装过石墨孔栏处，边界等离子体的Cl 464.7nm, Cl 426.7nm, Ol441.5nm, Fel386.5m, Crl425.4nm等杂质谱线强度。图6是第4960次放电5辐射时 空分布，图7是

12、CI辐射强度随活动石墨孔栏半径的变化（通过相对强度校准）。从图6, 7可知边界辐射强度最大，向等离子体中心逐渐减弱。实验观测表明，Fe, Mo, Ci等金属杂质辐射很弱，可能石墨孔栏产生的C辐射抑制了金属重杂质辐射。而喷钛使CB 464.7nm辐射 强度下降3/4,说明喷钛能抑制轻杂质辐射 轻、重杂质辐射相互抑制作用，为杂质控制的 研究提供了一条途径。图7辐射强度与九关系1第一道 F 2第二迫烁3第三道内2io图8三道光纤相对透过率变化N放电次数；清洗放电时婦射强 度.L 2. 3道号u3. 电蔑辐射对光纤性能的影响一般认为，电离辐射将使光纤性能，特别是透过率明显变坏。本实验光纤伸入内真空 室

13、，处于强电离辐射之中。通过每天对功率稳定的清洗放电时,Ho656.3nm辐射强度的测 5,监测了光纤透过率的相对变化，如图8所示。由图可知，在上千次放电和十几万次清洗 放电作用下，光纤透过率没有明显下降。图9是硬X射线干扰示波图。上线、中线为布迓在HL1装置附近的第1, 2道光电倍増管 信号，本次放电中，光信号受到了很强的硬X射线的干扰。下线是第3道22nbti英长光纤，将 光信号引入控制室内的单色仪和无铅屏蔽的光电倍增管信号，完全屏蔽了硬X射线干扰。2371994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing I louse. All r

14、ights reserved. httpiA'4. m=2扰动与出辐射图10是加=2扰动模与辐射示波图。从图可知它们的振荡频率相同，/=4kHz,相位 相同，Ha辐射强度随皿=2扰动模振幅的增大而增大，当破裂不稳定性岀现时H。辐射大大増 强°这些问题有待于深入研究。四、结束 语光纤伸入内真空室及石英长光纤传输光信号至生物墙之外，进行测虽是有效的方法。既 能实现空间分布的测抵：又可观测其它诊断方法不能测虽的空间位置。既能有效的屏蔽电的 干扰和硬X射线的干扰，又能保证人身安全和仪器调节方便。解决了实验场地小，测量窗口 少的困难。为光学测蜀和可以转换为光信号的测最提供了新的方法。光

15、纤用于I1L-1装遂 诊断前途是广阔的。实验证明，HL-1装置是可能出现Marfe.fuDP状态的，这就为HL-1装置提出了新的研 究课题。本工作得到钱尚介、胡高、秦运文、徐光碧、郑永真、高庆弟、董家齐、白杰、陆裕祥 等及HL-1装置安装组的支持和帮助，在此一并致谢。参考文献1 Lischltz, B. et alM Nucl. Fusion. 24(8), 977(1984).2 Lischltz t B.f PSI-VII, I986» P153 Goodallt D H. J. et aI.T PSI-VII. 1S869 p.696.4 Strachan, J. D.et a

16、l., PSI-VII, 1986> p.186-5 Dong, J. Q. etaL9 Application of the Model for Thermal Transport in Tokamak,1988* 待发表.6 Jahond, F. C. tFiber Optic Sensor and Fusion Diagnostics (Introductory Notes)tOctober. I9f6.p.1618.(编辑部1988年3月10日收橋、 W98R华7月16 口收到修改稿丿 238 OBSERVATION OF DETACHED PLASMA AND IMPURITY

17、 RADIATIONSAT THE BOUNDARY OF THE HL-1 PLASMAFENG Xingya LUO Junlin ZHANG Qianchun WANG Fangcheng(Southwestern Institute of Physics, Leshan. Sichuan)ABSTRACTThree fiber optical sensors were set into the vacuum chamber of the HL-1 device to collect light signals from plasma near the graphite limiter.

18、 “Detached plasma* (DP) was observed preliminarily. The probability of forming DP in HL-1 is assessed with p=n0/kJ t The impurity radiations at the boundary layer of plasma were studied. The Hc and C ffi radiations were measured while ECR was in action. The relation between Ha and 加=2 disturbance wa

19、s obtained.Key words Fiber optical sensor, Marfe< Boundary layer.(上接第222页)3 West, We P. Rev. of Sci. instruments. 6T(ft). 2006(1986).4 J Kick, M. et al., IPP Report, 2/265. 1983(5 McCormick. K.t IPP Report. III/82< 1983(6陈定国等.核喪变 1(2).129(1980)-1986). Na?oya. p 80.(7 Ozaki, T et al. Institute of Plasma Physics Nagoya University Atnual Revicw(April 1985March（il薜閒諳錨殿專）MEASUREMENTS OF THE NEUTRALIZING EFFICIENCY OF SODIUMVAPOUR FOR LITHIUM ION BEAMZHANG Jiquan LIANG Wenxue(Southweste