由于HL-2A装置没有测量极向旋转速度的窗口课件

1、项目名称：托卡马克等离子体诊断技术研究 课题4： 主动电荷交换复合光谱诊断技术 课题负责人： 姚列明 教授承担单位：电子科技大学 四川大学计划任务完成情况研究水平与创新性实施效果人才培养、合作交流、数据共享 等方面的情况经费使用情况存在的问题和建议计划任务完成情况(1)光谱诊断系统的设计和优化(2)离子参数的获取(3)主体离子密度和杂质浓度的诊断(1)光谱诊断系统的设计和优化图1 诊断观测区与窗口图2 窗口上观察窗的分布示意图 0.38 r/a0.71In 2011图3 针对中心圆窗口的第一镜和透镜组In 2012-0.27 r/a90%读出速率最高10MHz升级改造后的光谱诊断系统在2011

2、年HL-2A装置的春季实验中投入使用，取得了有效的实验数据，新的光谱信号（如图2所示）其时间分辨率、谱分辨率和信噪比与原来的光谱信号（如图1所示）相比有了显著的提高。 图8 原有系统的CXRS光谱 图9 现有系统的CXRS光谱利用CXRS 诊断技术测量等离子体参数 物理过程谱线宽度离子温度Doppler位移旋转速度谱线强度杂质浓度 (2)离子参数的获取C是HL-2A托卡马克内部的等离子体中的主要杂质之一，所产生的谱线中C（530.46 nm，n=4n=3）、C(529.06 nm，n=8n=7)谱线的强度较强, 便于观察和测量。C谱线主要来源于主动电荷交换(ACX)复合后粒子的辐射, 依赖于中

3、性束的原子通量。 图10 杂质辐射C谱线包含PCX、ICE和ACX两部分 表2 TEXTOR装置及等离子体参数 参数最大值（典型值）大半径(R0)1.75m小半径(a)0.47m环形磁场(BT)3.0T等离子体电流(Ip)0.80MA脉冲长度10s欧姆功率(POhmic)0.3MWNBI功率(PNBI)21.5MWECRH功率(PECRH)0.8MW(at 140GHz)0.3 MW (at 110 GHz)ICRH功率(PICRH)22.0MW(at25-38MHz)中心离子温度(Ti)1.0keV中心电子温度(Te)1.0keV中心电子密度(ne)3.01019 m-3表3 HL-2A装置

4、主要参数参数数值大半径(m)1.64小半径(m)0.45等离子体电流Ip(ka)450环形磁场(T)2.8等离子体拉长比k1.3等离子体密度(m-3)81019安全因子3低杂波电流驱动功率（MW）1.5ECRH功率(MW)2ICRH功率(MW)1NBI功率(MW)1.5图11 TEXTOR装置杂质C的CXRS光谱（shot=105378 ） 图12 温度的径向分布 图13 旋转速度的径向分布图14 第16476次放电期间等离子体各参数随时间演变图15 HL-2A装置杂质C的CXRS光谱（shot=16476 ） 图16 温度的径向分布 图17 旋转速度的径向分布 图18 温度随时间的分布 图1

5、9 旋转速度随时间的分布 (3) 主体离子密度和杂质浓度的诊断 本课题主要通过C的C（529.06nm）谱线诊断C的浓度，其研究分析方法可以推广到其它杂质的诊断。C的发射光谱强度中性束发射光谱强度杂质浓度考虑中性束的不同能量成分后变为：图20 用积分球得到的定标光谱对HL-2A上的第19681次放电进行C杂质浓度计算：CXRS光谱拟合：图21 离子温度分布图22 旋转速度分布图23 CXRS光谱强度分布图24 BES光谱拟合图25 BES光谱4个能量分量对应的光谱强度图26 C杂质的相对浓度图28 TEXTOR上第105378次放电时的C杂质浓度分布图27 根据C杂质浓度计算的有效电荷数二、研

6、究水平与创新性近年来国外在这一领域的探索主要体现在两方面：一方面是提高探测灵敏度及测量的可靠性；另一方面是提高测量系统的空间和时间分辨能力： 在日本的JT-60 （2007）装置上发展了一套利用CXRS高时间分辨测量离子温度及其径向分布的系统，该系统利用滤光的CXRS系统实时观测离子温度（每10ms计算出四个空间点的离子温度分布），进而主动反馈控制实验中芯部的离子温度，即改变总的加热功率（如中性束注入）来改变芯部的离子温度，同时通过改变加热的能量沉积位置来控制离子温度梯度；在JET（2008）装置上，CXRS系统对边缘（r/a=0.5-1.0）离子温度诊断视线共58根，该系统的时间分辨为10m

7、s；在ASDEX（2008）装置上新建的CXRS诊断系统其时间分辨率已达1.9ms； 由于HL-2A装置的属于中等规模和参数偏低的情况，本课题的时间分辨率受信号强度的影响远达不到上述装置的水平，但是与同等规模的装置TEXTOR（时间分辨率20ms）基本相当。 本课题获得了离子的温度分布和环向转动速度分布，并初步获得了杂质浓度的测量方法和结果。 本课题研究结果提高了我国在CXRS诊断技术方面的水平，丰富了我国在等离子体诊断方面的技术手段。三、实施效果 利用CXRS诊断技术在我国托卡马克装置HL-2A上研究聚变离子的温度、密度、转动、有效电荷数、杂质浓度以及中性粒子和等离子体的相互作用，开发相关软

8、件，使光谱诊断发展成为该装置上的常规诊断，为进一步研究等离子体的约束、加热、输运和能量损失机制提供有效的实验手段和丰富的实验数据，为ITER下一步的相关工作提供重要的参考和技术储备，并培养聚变领域的研究人才。四. 人才培养、合作交流、数据共享等方面的情况1、人才培养：本课题培养博士后1名，硕士3名。发表的论文9篇 2、合作交流：1）出国交流访问访问单位：Culham science centre （JET）2）出国工作交流目前课题组派出1人前往法国ITER中心工作。3）参加的国际会议21st ITPA Topical Group Meeting on Diagnostics October 1

9、7 20, 2011 Hefei, China五. 经费使用情况序号科目名称金额（万元）1一、经费支出351.22407121、设备费155.759267 3（1）购置设备费23.028913 4（2）试制设备费129.610354 5（3）设备改造与租赁费3.1262、材料费2.0479673、测试化验加工费105.1480 84、燃料动力费3.12000095、差旅费18.480051106、会议费 0.032117、国际合作与交流费5.209513128、出版/文献/信息传播/知识产权事务费0.647221139、劳务费31.2000001410、专家咨询费0.0534001511、管理费29.5266661612、17二、经费来源181、专项经费资助415192、自筹经费来源0本课题结余经费55万余元，结余的原因主要有以下几点：1）原经费预算中有光学系统透镜的成像质量和第一镜的物理和化学性能测试，这两项的预算为15万，由于该系统安装在装置内，需要等装置统一开启时才能取出进行测试。该装置于2012.11.21才从装置取出，来不及测试。2）原经费预算中材料费包括光纤束12万，由于光纤费用升高，预算的材料费不够支付。3）原经费预算国际交流一项包括赴日本，学习JT-60上的CXRS诊断技术5.24万，由于JT-60在升级改造，未能成行。原预算中有参加国际会议（2