快电子对快离子损失诊断测量的影响
2017-11-21常加峰吴承瑞林士耀
金 钊 常加峰 黄 娟 吴承瑞 林士耀
1（中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031）
2（中国科学技术大学 合肥 230026）
快电子对快离子损失诊断测量的影响
金 钊1,2常加峰1黄 娟1吴承瑞1,2林士耀1
1（中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031）
2（中国科学技术大学 合肥 230026）
基于闪烁体原理的快离子损失探针(Fast Ion Loss Detector, FILD)，可以同时测量损失快离子的能量和pitch-angle的值，是核聚变装置中对高能粒子诊断的重要方式。根据先进实验超导托卡马克(Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST)的发展需求，为了更好地对损失快离子行为进行研究，设计并安装了快离子损失诊断，且探测到在中性束加热条件下产生的损失快离子。同时，探测到在放电中产生的逃逸电子，以及低杂波注入时快电子产生X射线对快离子损失背景信号的影响。并且在H-mode放电时边界扰动也对快离子损失信号产生影响，这些探测到的现象都为不断升级损失诊断系统提供依据。
闪烁体，快离子损失诊断，逃逸电子
辅助加热系统的不断发展，提升了装置的加热效率，并为装置提供了丰富的快离子源，同时这些产生的快离子也是等离子体中能量的主要来源，有助于实现稳态高性能的等离子体放电。但由于第一轨道损失以及不稳定性模式对快离子的影响，会造成快离子的损失，不仅会降低辅助加热效率，影响燃烧等离子体性能，甚至会对装置第一壁造成破坏。因此，对聚变装置中快离子损失行为的研究具有重要意义。
基于闪烁体原理的快离子损失探针具有独特的优势，其可以在放电过程对损失快离子的能量和pitch-angle进行同时测量。在1990年快离子损失诊断第一次被应用于美国普林斯顿托卡马克聚变试验反应堆(Tokamak Fusion Test Reactor, TFTR)装置中[1]，并且在放电过程中探测到类α聚变产物的损失。在国内外研究中，已经在德国伽兴马克斯普朗克等离子体物理研究所的轴对称偏滤器核聚变装置(Axially Symmetric Divertor Experiment, ASDEX-upgrade)[2]、美国原子能公司 DIII-D国家核聚变装置(DIII-D National Fusion Facility, DIII-D)[3−4]、英国的欧洲联合环形托卡马克(Joint European Torus,JET)[5]、韩国超导托卡马克先进研究装置(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research,KSTAR)[6]、日本螺旋装置(Large Helical Device,LHD)[7]和中国核西南物理研究所的环流器二号 A(HL-2A)[8]等装置发展了快离子损失诊断。随着先进实验超导托卡马克(Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST)装置中辅助加热系统的不断升级以及发展的需求，在EAST上设计并安装了一套快离子损失诊断系统，对快离子的输运以及损失行为进行分析和研究[9]。
1 快离子损失诊断系统
1.1 诊断原理
基于闪烁体原理的快离子损失诊断原理与磁谱仪类似，装置放电过程中产生的损失快离子，在环向磁场的作用下做拉莫尔回旋运动，其中具有特定能量和pitch-angle的损失快离子，能够被快离子损失诊断探头结构所采集。损失的快离子经过探头上的准直系统的前孔和后缝，最终打击到探测系统中闪烁体屏上，并且在打击点处激发荧光，发光点的位置可以得到快离子的回旋半径（利用回旋半径可以得到能量）和pitch-angle的信息。在实验中利用电荷藕合器件(Charge Coupled Device, CCD)图像传感器高速相机(Phantom V2010)对闪烁体屏上的荧光图像进行记录，可以得到在任意帧数时损失快离子的回旋半径以及pitch-angle的信息。
1.2 诊断系统的介绍
EAST是完全超导的托卡马克实验装置，大半径为1.85 m，小半径为0.5 m。在EAST 装置中，随着辅助加热系统的不断升级，加热水平的大幅度提高，除了背景热离子外，还存在非热平衡分布的高能离子（即快离子）。这些快离子产生的主要来源有：1) 聚变反应；2) 高能中性束的注入；3) 射频波加热。EAST上已经发展多种辅助加热系统，主要有功率可达 12 MW 的离子回旋(Ion Cyclotron Resonance Heating, ICRH)加热系统、2.45 GHz/4MW 和 4.6 GHz/6 MW 的低杂波驱动(Lower Hybrid Current Drive, LHCD)加热系统，以及两套中性束注入(Neutral Beam Injection, NBI)加热系统[10]。其中中性束注入系统具有长脉冲运行能力，包括同向束(NBI1L、NBI1R)、反向束(NBI2L、NBI2R)两套系统，每条束线功率可达4 MW、束能量在范围50−80 keV 可控。这些辅助加热系统大大提高了EAST加热功率，有效实现了稳态高性能的等离子体放电。另一方面，这些辅助加热也会在装置中产生快离子，这些快离子有助于等离子体加热和电流驱动，但如若损失则可能对第一壁造成损害，因此对损失快离子输运行为的研究具有十分重要的意义。在EAST上还发展了其他几种诊断来研究快离子输运行为，例如中性粒子分析仪(Neutral Particle Analyzers, NPA)[11]、快速离子Dα诊断(Fast-ion Dα Spectrum Diagnostic, FIDA)[12]、γ相机和中子相机。
图1 EAST上快离子损失诊断的系统结构示意图Fig.1 Diagram of fast ion loss detector system on EAST.
在EAST上快离子损失诊断的设计和安装中，首先考虑到窗口位置以及采集损失快离子的需要，将快离子损失诊断系统安装于J窗口中平面偏上的位置，在EAST装置中快离子损失诊断的实物图如图1所示。快离子损失诊断系统主要包含4部分：探测系统、驱动系统、成像光路系统以及数据采集系统。其中①、②、③标注分别代表成像光路系统中的主光路、CCD和PMT (Photomultiplier Tube)成像光路。探测系统中的探头部分是诊断中重要的部件，我们选用厚度为1 mm闪烁体以及厚度为3 mm的不锈钢外壳的设计，可以屏蔽X射线信号，以及在探头中间位置采用准直孔的设计，可以同时采集到同向和反向的快离子损失。探头中选用具有450nm发射峰的ZnS闪烁体，其发光效率极高且对γ射线极不敏感。驱动系统选用线性和旋转步进电机来实现探测系统的直线与旋转运动，不仅可以调节探头与等离子体的距离以防探头过热闪烁体失去活性，而且可以迅速改变探头准直孔的方向，保证了在正场、反场放电条件下确保实验数据的正常采集。诊断系统中利用成像光路系统对快离子损失信号进行放大并采集，并利用束分光器将光信号传输到两套数据采集系统中。一方面，利用 CCD数据采集系统可以对闪烁体图像进行采集，根据损失快离子运动的特点结合探测系统中准直孔、准直缝以及损失快离子在闪烁体上的打击位置的几何关系，利用程序可以初步计算出损失快离子的回旋半径与pitch-angle的值；另一方面，利用PMT数据探测系统可以得到快离子损失信号随时间的演化信息，更加全面分析在不同放电条件下损失快离子的行为。
2 实验现象的分析
2.1 中性束加热条件下快离子损失基本行为
在第64606次放电中，图2显示了等离子体放电主要参数随时间演化的信息，从上到下分别为等离子体电流Ip=455 kA，电子密度ne=2.6×1019m3，PMT数据探测系统第6、7通道的信号随时间的演化过程，以及中性束源功率。其中，中性束为反向束，左右源的源功率分别为1.35 MW、1.4 MW。可以看出在中性束注入时，快离子损失信号有显著增加，结合 CCD数据采集的信号分析，在左、右源注入过程中分别取5.73 s和6.20 s两个时刻，采集到的图像如图3所示。图3中边框代表闪烁体的大小，顶端小孔表示狭缝的位置，两个圆圈分别表示第6、7通道光纤的对应位置。从图3中可以看出，闪烁体图像和PMT随时间演化的信息是一致的，因此两套数据采集系统中损失快离子的变化是相一致的。同时，从闪烁体图像信息可以计算出，在5.73 s时产生的损失快离子的回旋半径和pitch-angle分别为27 mm和55°左右，而6.2 s时损失快离子的回旋半径和pitch-angle分别为28 mm和65°左右。
图2 第64606次放电各参数信号随时间演化的信息Fig.2 Temporal evolution of the main parameters at discharge #64606.
图3 第64606次放电在5.73 s (a)和6.20 s (b)时CCD数据采集系统的图像信号Fig.3 Scintillator image captured by CCD camera at 5.73 s (a)and 6.20 s (b) for the discharge #64606.
2.2 逃逸电子和快电子对快离子损失信号的影响
第63333次放电中，在0.7 s时闪烁体的图像呈现全屏发亮的现象，如图4所示。图5展示了第63333次放电各参数随时间演化的信息，我们选取第7、20 PMT通路的快离子损失信号，发现这两道通路损失信号的数值都很高，并且γ-X辐射强度诊断(γ-X Radiation, RA)测量的信号有较高的数值，这是由于在开始放电的时刻电流处于爬升阶段，极易产生逃逸电子[13]，并且高能的逃逸电子与损失诊断中探头外的不锈钢外壳发生了厚靶韧致辐射产生的高能硬X射线，这些硬X射线会轰击到快离子损失诊断探头中，对快离子损失信号造成了影响。
图4 第63333次放电0.7 s时闪烁体的图像信息Fig.4 Scintillator image captured by CCD camera at 0.7 s for the discharge #63333.
图5 第63333次放电主要参数随时间演化的信息Fig.5 Temporal evolution of the main parameters at discharge #63333.
图6 展示了第63436次放电中各参数随时间演化的信息，中性束同向束左源(NBI1L)在 2.5−3.5 s时注入，源功率为2 MW。在1.5 s时注入了低杂波，其中 2.45 GHz和 4.6 GHz低杂波功率分别为0.6MW和1.4 MW，同时硬X射线测量(Hard X-ray,HX)信号[14]的幅度随低杂波注入而升高，这是由于低杂波注入会产生快电子[15]，快电子与损失诊断中探头外的不锈钢外壳发生了厚靶韧致辐射，相应的韧致辐射在硬X射线(Hard X-ray Radiation, HXR)能段范围。从第7、20通路的快离子损失信号可以看到，在低杂波注入时快离子损失的本底信号稍有增加，说明在低杂波加热的条件下，快电子与探头的不锈钢外壳发生了厚靶韧致辐射产生 X射线信号，也会轰击到损失诊断系统的探头中，对快离子损失的本底信号产生影响。
图6 第63436次放电主要参数随时间演化的信息Fig.6 Temporal evolution of the main parameters at discharge #63436.
2.3 边界扰动对快离子损失信号的影响
第 68972次放电是有边界局域模(Edge Localized Modes, ELMs)的H-mode放电。该次放电在2.5−2.6 s时主要放电参数随时间演化的信息如图7所示，主要有Dα信号，快离子损失第6、7通道，第 13、14通道信号随时间的演化过程信号，以及HX信号和厚靶韧致辐射产生的RA信号。在采集到损失信息的第6、7通道的信号会随Dα信号变化，同时没有采集到快离子损失的第13、14通道，其本底信号强度也会随着边界扰动变化有少量的增加。但是这种本底信号幅度要远低于快离子损失信号，且与损失快离子的行为不一致。这也可能是 ELMs对边界快电子影响，导致快离子损失本底信号产生相应的变化。
图7 第68972次放电2.5−2.6 s主要参数随时间演化的信息Fig.7 Temporal evolution of the main parameters from 2.5 s to 2.6 s for the discharge #68972.
3 结语
快离子损失诊断具有独特的优势，因此可以很好地进行损失快离子运动行为的研究。EAST装置中，在中性束注入加热条件下，可以观测到很明显的快离子损失现象，并且在H模放电和低杂波加热条件下，观测到X射线信号会对我们的损失本底信号有相应的影响。虽然在探头结构设计中有考虑到屏蔽X射线信号，但是由于逃逸电子以及快电子产生较强硬X射线信号，超出了探头可以屏蔽的能力范围，会对损失快离子信号产生一定的影响。快离子损失诊断系统后续升级的过程中，将加厚损失探头结构不锈钢的厚度，以及选用对X射线信号更不敏感的闪烁体材料，以达到减少对快离子损失信号影响的目的。
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The effect of fast electrons on fast ion loss detector
JIN Zhao1,2CHANG Jiafeng1HUANG Juan1WU Chengrui1,2LIN Shiyao1
1(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)
2(University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)
Background: A scintillator-based fast ion loss detector (FILD) can simultaneously measure the energy and pitch angle of escaped fast ions, which is a powerful method to study the behavior of fast ion feature. Purpose:Investigating the performance of the fast ion loss is very helpful for understanding plasma confinement due to the development of experimental advanced superconducting tokamak (EAST). Methods: FILD has been successfully put into operation on EAST, and the behavior of fast ion can be analyzed by charge coupled device (CCD) and photomultiplier tube (PMT) data acquisition system. Results: When the neutral beams were injected, the fast ion losses were detected. Runaway electrons and the fast electrons were observed when lower hybrid waves were injected into plasma, resulting in the effect of X-rays on the fast ion loss signal. In H-mode discharge condition, the fast ion losses signal changed with D-alpha signals. Conclusion: Fast ion loss detector system plays an important role in investigating loss ions behavior during neutral beam heating. Runaway electrons and fast electrons would affect the fast ion loss signal. At the same time, FILD will be upgraded with the probe structure and new scintillator material will be selected to minimize the impact of X-ray.
Scintillator, FILD, Runaway electrons
JIN Zhao, female, born in 1993, graduated from Changchun University of Science and Technology in 2014, master student, focusing on plasma physics
CHANG Jiafeng, E-mail: changjiaf@ipp.ac.cn
date: 2017-05-18, accepted date: 2017-06-30
TL99
10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.110605
国家磁约束聚变能源研究专项(No.2014GB109004、No.2015GB110005)、国家自然科学基金(No.11575249)资助
金钊，女，1993年出生，2014年毕业于长春理工大学，现为硕士研究生，研究领域为等离子体物理
常加峰，E-mail: changjiaf@ipp.ac.cn
2017-05-18，
2017-06-30
Supported by Nation Magnetic Confinement Fusion Science Program of China (No.2014GB109004, No.2015GB110005), National Natural Science
Foundation of China (No.11575249)
