HL-2A装置快离子D_%28α%29诊断和模拟分析.pdf
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1、DOI:10.165686086.202302014文章编号:0 2 54-6 0 8 6(2 0 2 3)0 2-0 2 0 4-0 8June2023NuclearFusiolPlasmaPhysics2023年6 月Vol.43,No.2第43 卷第2 期子体物理核聚变与等离HL-2A装置快离子D。诊断和模拟分析侯玉梅,周航宇*,陈伟1,郝保龙,刘仪,石中兵,许敏,段旭如1(1.核工业西南物理研究院,成都6 10 0 41;2.深圳大学新能源研究中心,深圳518 0 6 0)摘要:介绍了HL-2A装置上的快离子D。(FI D A)诊断,并利用FIDASIM与TRANSP程序对快离子进行模
2、拟分析,通过分析FIDA谱获得了快离子在相空间的分布。对模拟结果与实验结果进行对比,分析表明模拟得到的FIDA谱的演化趋势与实验吻合,验证了用TRANSP程序模拟的快离子分布的可靠性。关键词:快离子D。诊断;FIDASIM程序;快离子分布中图分类号:TL65+1文献标志码:A1引言磁约束聚变装置中的快离子主要来源于聚变反应、中性束注入(NBI)与离子回旋共振(ICRH)加热。快离子携带着巨大的能量,有助于加热背景等离子体维持聚变反应,但是也可能激发MHD不稳定性,引起大范围的快离子再分布:大量的快离子从等离子体芯部驱至边缘,从而影响聚变反应率、降低装置对等离子体约束性能2.3。因此,开展快离子
3、相关物理研究十分重要磁约束聚变装置中的快离子(氙,D)与入射的中性束粒子(D)发生电荷交换复合反应被中性化成为高能量的中性粒子:D+D+=D+D*D+D+。其中,处在激发态(D*)的高能量的中性粒子,通过碰撞或辐射衰变发生能级跃迁,从n=3跃迁到n=2的低能态时释放出光子,该过程即巴尔莫能级跃迁。快离子 D。诊断(FIDA)主要探测发生多普勒频移后的 D。可见光谱4。FIDA 诊断作为快离子分布测量的有效手段,已广泛应用于DII-D4NSTX5、T EX T O R 6 、LHD 7 、A S D EX-U 8 MAST9、EA S T 10.1和HL-2A12等磁约束聚变装置,并在快离子相关
4、的前沿物理研究中发挥了重要的作用13,14 FIDA诊断测量信号不仅有包含快离子信息的FIDA谱,还有装置边缘的冷氛粒子、达到热平衡的中性粒子(Halo)、中性束注入粒子和杂质粒子产生的辐射谱以及韧致辐射、背景噪声15。因此,该诊断数据处理中最大的难点是将快离子与其他成分粒子产生的谱进行分离。理论上,采用背景扣除可以去除韧致辐射、背景噪声、背景杂质谱和被动的FIDA谱,利用FIDA谱的多普勒频移可以将束发射谱、Halo谱与FIDA谱区分开。此外,利用FIDASIM16.17程序模拟可得到FIDA谱、束发射谱、Halo谱、韧致辐射等。发展FIDA诊断最主要的目的是获得快离子分布,目前有两种常用的
5、方法:一种是利用TRASNP18模拟获得快离子分布,再以该值为FIDASIM程序的主要输入,获得FIDA谱理论值,最后将模拟与收稿日期:2 0 2 1-0 6-18;修订日期:2 0 2 2-0 9-30基金项目:国家重点研发计划(2 0 19YFE03020000,2 0 19YFE0 30 10 0 0 0,2 0 17 YFE0 30 12 0 3);国家自然科学基金(12 0 0 5054,11875021,11875024)作者简介:侯玉梅(1990-),女,四川泸州人,助理研究员,工学博士,研究方向为受控核聚变等离子体物理实验与模拟。*通讯作者:周航宇(198 0-),男,山东淄博
6、人,副研究员,工学博士,研究方向为受控核聚变等离子体物理实验与诊断。205第2 期侯玉梅等:HL-2A装置快离子D.诊断和模拟分析实验结果对比分析,验证理论值的可靠性,这也是本文中采用的方法;另一种方法则是层析反演19。2HL-2A装置上的快离子D。诊断HL-2A装置的大半径为16 5cm、小半径为40 cm,有两套同向、正离子源(氙)中性束注入加热系统,束线与磁轴呈31.9角切向注入等离子体,功率、束能量相同,最高可达到1MW、40 k e V,其中,每一套系统各有4个离子源。此外,还有主要加热电子的低杂波电流驱动(LHCD)和电子回旋加热(ECRH)系统。其中,LHCD系统频率为3.7 G
7、Hz,功率最高可达到1.4MW;ECR H 系统频率为6 8 GHz,功率最高可达到3MW。在常规诊断的基础上,发展了电子回旋辐射诊断(ECE)20、甲酸(HCOOH)激光干涉仪2 1,电荷交换复合光谱(CXRS)22等测量电子温度(T)和密度(ne)、离子温度(T)等基本参数的诊断。因为HL-2A装置的中性束以切向方向注入(如图1所示中的绿色实线),在等离子体中,通行离子的数目要远远地大于捕获离子,所以FIDA诊断15首选切向布置,前端光路如图1所示,沿等离子体大环方向布置。M-R-Port窗口为主动观测窗口,红色实线表示主动、切向观测视弦,主要探测由NBI而产生的束发射谱、Halo谱与FI
8、DA谱;M-L-Port窗口为被动观测窗口,红色虚线表示被动观测视弦,径向方向的探测位置与主动探测一致。可探测背景杂质线、韧致辐射与边界被动FIDA谱等。安装于装置诊断窗口的多通道光学采集组件由反射镜、密封玻璃窗口、成像透镜组和光纤阵列构成,如图2 所示。观测视弦与中性束中心轴的夹角:41.951.5;观测范围:R=185205cm(归一化半径p=0.51.0);空间分辨:5cm;时间分辨:30 ms。来自目标观测区域的可见光通过反射镜进入透镜组进行聚焦成像,再借助多道光纤阵列导入可见光谱仪。其中,光纤芯径半径为40 0 m;数值孔径:NA=0.22;长度为50 m。-41.9%gR-1850
9、mmB.R=2050mm51.5NBI反射镜M-L-PortM-R-Port图1HL-2A装置上的FIDA诊断光路图遮光板窗口玻璃透镜组光纤束滤光片转轮入射狭缝反射式光栅EMCCD相机光纤耦合段中性束反射镜光谱仪部分光学采集部分色散和探测部分图2FIDA诊断系统构成图可见光谱仪主要用以实现预滤波、光谱色散和聚焦。HL-2A装置FIDA诊断选用SCT320反射光206第43卷核聚变与等离子体物理栅谱仪,焦距为32 0 mm,相对孔径为f/4.6,光栅槽密度有30 0、12 0 0、18 0 0 gmm三个可选,闪耀波长分别为50 0、7 50、50 0 nm,测量范围分别为12 0、30、15n
10、 m。其中,最常用的光栅为18 0 0 g:mml,线性色散值约为1.2 nmmml,测量范围为6 48 663nm。光纤与谱仪入射狭缝之间,配置了陷波滤波器安装槽。陷波滤波器的中心波长为6 56.1nm,OD0.6,半高全宽为2.2 nm,用以衰减边缘冷氛粒子产生的强D。线,避免探测器信号饱和。谱仪的入射狭缝调节范围为0.0 1 3mm,根据实验情况,调节狭缝宽度可适当控制光通量。可见光谱仪的末端配置了高量子效率、低噪声、高增益的EMCCD相机,主要用于光电转换。通过降低制冷温度,可以大幅度降低EMCCD的热噪声,通过高增益设置倍增光电子的数量,可以提高信噪比。因此,该探测器适用于弱FIDA
11、信号的采集。EMCCD主要参数:像素点为10 2 410 2 4;像元尺寸为1313mpixel;像素速率为10MHz;在竖直方向上,将每50 个像素进行垂直合并,形成6 个观测通道,占据区域为30 0 10 2 4pixel;读出时间为3ms;量子效率为95%;制冷温度为-55。最后,信号触发、数据采集和分析部分则由触发、采集卡、高性能工业采集计算机等设备完成。3快离子分布函数模拟结果基于蒙特卡洛方法,TRANSP程序能模拟轴对称托卡马克装置中的快离子运动,同时考虑了中性束注入、核聚变反应及杂质粒子等多种粒子成分,以估算快离子的沉积、慢化和热化等物理过程。即使高能量的中性粒子与高密度的背景等
12、离子体的碰撞激发效应占主导时,利用ADAS23的原子物理数据,该程序也能得到精确的模拟结果。TRANSP程序中,NBI的参数将作为主要的输入用以再现装置中束粒子的轨道,主要涉及的参数包括:离子束的切向半径;束中心线相对于装置中平面的高度;粒子源的尺寸、形状、位置与数量;束线垂直、水平方向的离散度以及焦距;束的功率、能量;全能量(E)、半能量(E/2)、三分之一能量(E/3)的束粒子的占比等。此外,重要的输入量还包括目标放电次数的背景等离子体参数:ne、T。、T 的径向分布及电流(Ip)、电压、磁场(Bt)、磁平衡位形等。HL-2A装置实验第30 7 96 次放电的等离子体参数如图3所示。电流L
13、p=150kA,环向磁场B(=1.3T,且该时间段内电流与环向磁场稳定不变,平均电子密度=(1 1.5)10 l m。中性束功率为 PNBr=0.9MW,4个离子源的能量分别为38 keV、39k e V、36keV、37 k e V,持续时段为40 0 90 0 ms。低杂波电流驱动功率为PLHCD=0.7MW,持续时段为7 0 0 900ms。其中,灰色、红色、湖蓝色虚线标注的时刻分别表示三个不同的放电条件,当=30 0 ms时,为欧姆加热,储能We10kJ;当t=600ms时,只有NBI,储能增至We22kJ;当t=800ms时刻,同时有NBI和LHCD,储能有小幅的增加,We25kJ。
14、当NBI与LHCD共同加热时,储能有小幅度的上升,芯部电子密度有明显上升。HL-2A#307962a1.51.5-NBIbMW/dLHCD0.50CMWW20MMYMAM2004006008001000t/ms图3等离子体参数随时间的演化a电子密度;bNBI与LHCD功率;c-储能。由图3可知,t=500700ms时等离子体参数较为平稳,故选取t=600ms时刻进行模拟分析,等离子体参数的径向分布如图4所示。其中,横坐标为低场侧方向的归一化半径,“0 表示磁轴位置,“1”表示最外闭合磁面位置,蓝色虚线表示R=195cm处。207第2 期侯玉梅等:HL-2A装置快离诊断和模拟分析#3079660
15、0msane1.5R=195cm12bT.00.20.40.60.8p/nm图4等离子体参数径向分布a-一电子密度;b一电子、离子温度。根据磁平衡位形、等离子体参数、NBI参数,假设碳为主要杂质粒子,有效电荷数Zef=1.8,且在整个径向是分布均匀的。利用TRANSP程序模拟计算得到R=195cm处快离子相空间分布计算结果如图5所示。其中,沿磁力线方向为螺距角(vl/v)的正方向,色差表示相空间单位体积(cm)内的快离子数。其分布显示,处于E、E/2、E/3能量的离子密度相对较高,可知NBI是产生快离子的主要方式。(r,z)-(195cm,0cm)50.54032-0.51-1204060E/
16、keV图5快离子在相空间的分布4FIDASIM数值模拟结果FIDASIM程序最初由Heidbrink团队开发16,后由Geiger 等人对算法进行了改进8。该程序用以求解碰撞辐射模型16,考虑辐射衰减、碰撞以及电荷交换反应过程,可获得束粒子、达到热平衡的粒子和快离子的密度、速度分布等信息。结合FIDA诊断的观测视弦,可得到各成分粒子对诊断测量谱信号的贡献。FIDASIM程序应用于HL-2A装置的FIDA诊断数据模拟分析。首先,需要确定坐标系,本文以观测窗口法兰的中轴线为Y轴(图1中的红色中轴线),装置中心点为坐标原点。根据该坐标系,确定FIDA诊断的几何分布,主要包括主动观测窗口的几何位置、中
17、性束的几何位置,以及观测弦与中性束中心轴线交点位置。其次,以等离子体的参数和TRANSP程序计算得到的快离子分布为主要输入参数。FIDASIM程序通过求解碰撞辐射模型,可以得到E、E/2、E/3束粒子和达到热平衡的中性粒子的密度分布,并确定快离子发生复合电荷交换过程的概率,以推算发生n=32退激发过程产生的D。谱信号。假设处于能级n=j的中性粒子密度占比为Ni,则:dZN.M(1)dtk式中,M为从能级n=k跃迁到n=i的反应率;Nj为密度的占比,故Z;N1。因为中性粒子不受磁场的约束,所以进入装置后,运动轨迹仍为一条直线,沿着中性粒子运动轨迹依次计算每个单元内中性粒子通量的变化,模拟其碰撞、
18、电离、电荷交换、激发和退激发等过程,就可以得到各成分粒子的密度变化以及光谱释放信息。当粒子轨迹与FIDA诊断观测视弦相交时,就可以推算该粒子释放的光信号是否可被诊断系统测得。已知FIDA诊断最后测得的束发射谱为多普勒频移后的信号,而多普勒频移主要由诊断的观测视弦与NBI束夹角以及能量来共同决定,即:2E/mcosOBeam(2)CC式中,为光速;2 为未发生多普勒频移时的特征波长(D:656.1 nm,H:6 56.2 7 n m);EBe a m为粒子能量;为观测视弦与中性束的夹角。208第43卷核聚变与等离子体物理对于强磁场、强电场环境,还要考虑因电场导致的能级分裂-斯塔克分裂,即:A,=
19、|v,B S,(i)-10-17 2(3)式中,v为沿观测弦方向快离子速度的单位矢量;B为磁场;Sa(i)为能级 n=2与 n=3之间实验上可能观测到的9个分量。FIDASIM程序中,电荷复合交换、电离碰撞等原子物理反应截面主要来自ADAS19利用FIDASIM程序得到的HL-2A装置FIDA谱模拟结果如图6 所示。其中,绿色实线表示达到热平衡的背景氙离子(满足麦克斯韦分布,且密度远远大于快离子)与中性束反应产生的 D。谱(Halo),强度与展宽主要由离子密度、温度决定。黑色虚线表示韧致辐射(Brems),在整个谱区内,强度几乎不变。因此,可通过设置被动观测窗口或束调制等方式去除。深蓝色实线表
20、示全能量的束发射谱,因为中性束4个离子源的位置和能量不同,所以束发射谱有一个较大的展宽。由于斯塔克分裂,束发射谱的谱型呈现出不规则的锯齿状。蓝色实线表示半能量的束发射谱;浅蓝色实线表示三分之一能量的束发射谱。红色曲线则表示快离子产生的FIDA谱,因为HL-2A装置FIDA诊断的光学视线背向NBI注入方向观测(如图1所示),所以FIDA谱信号主要发生红移。而且越远离Zo=656.1nm,代表离子能量越高。其中,红色虚线表示被Halo谱或束发射谱所覆盖的FIDA谱,在实际的实验测量中,该区间的谱很难剥离和分析。由FIDASIM程序计算可得:在R=195cm处,快离子的平均密度为1.65101m。由
21、图6 可知,由于HL-2A装置的NBI束粒子能量相对低,FIDA谱的展宽相对较窄,而观测弦与束的夹角太小,导致红移的束发射谱与FIDA谱区的重叠较多,而未发生信号重叠的有效谱区约为659.5660.2nm,相对狭窄。此外,Halo谱与束发射谱的强度约为FIDA谱的10 0 倍。因此,该模拟结果表明,实验中FIDA谱的提取和分析具有一定的难度。1020#30796195cmDEDE/2DE/31018-Halo-Bremne/l1016FIDA1014655656657 658659660661a/nm图6FIDA谱模拟结果利用FIDASIM程序得到的FIDA权重函数分布如图7 所示。该图显示,
22、对FIDA谱=6 59.5660.2nm波段主要贡献的快离子能量与螺距角分布,以磁场方向为正方向。结合图5、图7 可知,FIDA诊断仅能探测的离子需满足能量2 5 40 keV、螺距角-1-0.7 的极少部分的快离子,这也是实验测量中FIDA谱信号较弱的原因之一。060#30796,600ms,R=195cm-0.21=659.5660.2nm5040-0.430-0.620-0.8100204060E/keV图7FIDA权重函数5FIDA诊断实验结果HL-2A装置实验的第30 7 9 6 次放电,当800ms时,FIDA诊断测得的信号如图8 所示,主要为红移区(6 57.5 6 6 0.5n
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