张文敏 张凌 程云鑫 王正汹 胡爱兰 段艳敏 周天富 刘海庆

1) (大连理工大学物理学院,大连 116024)

2) (中国科学院等离子体物理研究所,合肥 230031)

3) (中国科学技术大学研究生院科学岛分院,合肥 230026)

1 引言

磁约束等离子体中燃料粒子是氢和它的同位素.杂质的存在会稀释燃料粒子,对于高Z杂质,还会由于高冷却率,造成等离子体的辐射功率损失,影响等离子体的约束性能.EAST 全超导托卡马克装置在2014 年和2020 年分别将上、下石墨偏滤器升级成钨偏滤器.自2021 年,EAST 装置运行在全金属壁的环境:上、下偏滤器为钨、第一壁为钼,此外EAST 装置低杂波加热天线和众多诊断屏蔽材料分别为铜和铁.在长脉冲实验和混合运行模式下,中、高Z杂质聚芯会导致等离子体约束性能严重退化(从高约束模转换为低约束模)甚至直接导致放电终止[1,2].因此,在EAST 装置上,观测本征中、高Z杂质离子密度的时空演化,开展杂质输运过程和机理的研究,实现芯部杂质含量的有效控制[3,4],对聚变装置获得高约束稳态长脉冲运行具有重要意义[5].

被动光谱诊断是聚变装置中常规的杂质诊断手段[6].工作在极紫外(extreme ultraviolet,EUV)波段范围(5—500 Å)的杂质光谱仪(掠入射光谱仪)已广泛应用于聚变装置中,成为杂质行为研究不可或缺的诊断系统之一[7-12].快速EUV 杂质谱仪用于实时监测等离子体芯部到边界几乎所有杂质离子发射的特征谱线;空间分辨EUV 杂质谱仪用于观测中、高Z杂质离子密度分布的时空演化.2021 年之前,EAST 上发展了分别工作在短波段范围(5—130 Å,可同时观测42—97 Å)和长波段范围(20—500 Å,可同时观测131—253 Å)的“EUV_Short”和“EUV_Long”两套快速EUV光谱仪系统[13,14],受限于探测器(charge-coupled device,CCD)感光面的大小,需要控制CCD 在焦平面上(波长色散方向)扫描实现等离子体芯部到边界不同杂质离子的全谱监测.2020 年和2021 年,EAST快速EUV 谱仪系统进行了升级,可以在一炮放电中同时监测5—500 Å波段范围内芯部到边界杂质离子的特征谱线,以及其谱线强度随放电时间的演化,尤其对于中、高Z杂质铁、铜、钼和钨等杂质可以同时观测低-高多个电离态离子,更利于研究杂质的输运行为.然而由于EUV 波段存在大量的杂质谱线[13-15],特别是对于高Z杂质钼、钨,相邻电离态的杂质离子相似的跃迁发出的谱线波长差别小[16,17],因此精确的谱线识别是一项基础且关键的工作.

很多聚变装置上利用等离子体中自发的钼杂质爆发事件或钼弹丸注入方式开展了钼谱线的识别工作.TFR 装置首次观测并识别5—50 Å波段范围的钼杂质离子谱线[18],70—110 Å和50—500 Å波段的钼光谱由JET[19]和LHD[16]装置相继观测并识别.然而到目前为止各装置没有系统地识别5—500 Å波段范围钼杂质离子谱线.在2020 年EAST 实验中,利用等离子体中自发的瞬态杂质溅射事件,通过两套快速EUV 杂质谱仪波段扫描,观测较高温度(Te0=3.5 keV)下钼杂质离子在8—400 Å波段范围内发出的特征谱线,识别了中、高阶电离态钼离子Mo23+-Mo31+发出的Mo XXIVMo XXXII 谱线.本文基于2021 年EAST 上升级后的4 套快速EUV 谱仪系统对较低电子温度(Te0=1.5 keV)等离子体低、中阶电离态钼离子Mo4+-Mo17+在5—485 Å波段范围内发出的Mo VMo XVIII 特征谱线进行系统性的识别.低、中阶电离态钼离子位于等离子体边界区域,因此这些谱线的精确识别不仅丰富了磁约束聚变等离子体钼杂质光谱数据,同时还提供了边界钼杂质源的观测,为深入研究从边界到芯部的高Z杂质输运行为奠定了基础.

2 EAST 实验装置和EUV 杂质光谱仪诊断系统

EAST 是具有先进偏滤器位形的全超导托卡马克装置,根据放电需求可灵活控制极向场提供上单零(upper single null,USN)、下单零(lower single null,LSN)和双零(double null,DN)等多种偏滤器位形的实验条件.其中等离子体电流和纵场强度分别可达1.0 MA 和3.5 T.配备多种辅助加热和电流驱动系统[20,21],包括中性束(neutral beam injection,NBI)、低杂波(low hybrid wave,LHW)、电子回旋共振加热(electron-cyclotron resonance heating,ECRH)和离子回旋加热(ion-cyclotron range of frequency heating,ICRF),大幅度提升EAST装置的性能,灵活调控等离子体参数[22].

为了开展从边界到芯部的杂质输运物理行为研究,2021 年EAST 装置提升了边界低阶电离态杂质离子观测能力,共发展了4 套快速EUV 杂质光谱仪,包括EUV_Short、EUV_Long_a、EUV_Long_b 和EUV_Long_c.EUV_Short 谱仪工作波段范围为5—130 Å,采用88.6°的入射角和中心刻线密度为2400 grooves/mm 的层状变间距(varied line spacing,VLS)凹面全息光栅实现平场成像.后3 套谱仪工作波段范围为20—500 Å,采用入射角为87.0°和中心刻线密度为1200 grooves/mm的VLS 的凹面光栅作为分光系统.光栅衍射方程为

其中,m,λ,δ0,α和β分别为衍射阶数、波长、光栅中心刻槽间距、入射角和衍射角.图1(a),(b)为这两类谱仪的光栅参数和光路设计.两类快速EUV谱仪的入射狭缝都为30 µm,均采用背射式高能段电荷耦合器件(CCD,1024 × 255 个像素点,像素点大小26 µm × 26 µm,CCD 长边1024 像素点用于波长分辨测量,短边255 像素点进行全部纵向合并)采集光谱图像,时间分辨可达5 ms/frame.此外,每套EUV 谱仪系统上还安装有准直激光器用于空间标定.文献[13-15]详细描述了EUV 杂质光谱诊断系统的特征和性能.升级后的4 套系统分别固定观测5—50 Å,40—190 Å,245—500 Å,160—385 Å波段范围.4 套快速EUV 谱仪的观测弦如图2 所示,其中EUV_Long_b 和EUV_Long_c观测弦主要穿过等离子体边界区域.

图1 极紫外光谱仪的光路设计 (a) 短波段快速EUV 谱仪;(b) 长波段快速EUV 谱仪Fig.1.Optical layout of fast-time-response EUV spectrometer:(a) EUV_Short;(b) EUV_Long_a,EUV_Long_b,EUV_Long_c.

图2 EAST 极向截面、最外磁面(红色线)以及4 套快速极紫外光谱仪观测弦Fig.2.EAST poloidal cross section and the last closed magnetic surface (red line),and lines of sight of four fast-timeresponse EUV spectrometers on EAST.

本文利用该4 套快速EUV 光谱仪组成的快速杂质谱仪诊断系统对瞬态杂质溅射事件产生的钼杂质离子发出的EUV 光谱进行观测.利用EAST等离子体中类氢到类铍的低、中Z杂质的特征谱线以及其二阶和三阶谱线对该4 套快速EUV 谱仪的波长进行精确原位标定[23].第一种标定方法是利用全波段的多条线通过三次多项式拟合得到波长(简记为λexp),第二种标定方法是利用单条线结合光栅色散方程计算出波长(简记为λcal).波长的不确定度定义为Δλerr=λexp—λcal,两类快速EUV 谱仪的Δλerr分别小于0.03 Å (EUV_Short)和0.08 Å(EUV_Long_a,EUV_Long_b,EUV_Long_c)[15].利用可见和EUV 连续轫致辐射比的方法进行原位绝对强度标定[24].基于NIST 数据库[25]和已有实验数据[16,18,19],并利用归一化谱线强度随时间演化行为对观测到的谱线进行识别.此外,本工作还利用快速辐射量热(absolute extreme ultraviolet,AXUV)诊断系统监测钼杂质爆发前后辐射的时空演化行为[26].

3 钼杂质谱线识别

图3 所示为EAST 装置L 模放电(#101700)伴随有钼杂质爆发的典型波形图.该炮等离子体为LSN 位形;等离子体电流Ip=0.4 MA;低杂波加热功率PLHW=1.2 MW (4.6 GHz);离子回旋加热功率PICRF=0.3 MW;NBI 作为诊断束脉冲式注入,功率PNBI=0.6 MW;弦平均电子密度ne=2.6 × 1019m—3.从图3(c)—(e)可以看出,由于ICRF功率的注入,等离子体密度、归一化的钼杂质强度以及辐射在7.029—8.315 s 有明显的上升及波动;而在t=9.431 s 时Mo V 和Mo XXIV 归一化谱线强度及辐射的突然上升表明此时发生了钼杂质突然溅射事件,随着钼杂质离子向芯部输运,杂质线辐射强度在t=9.497 s 达到峰值,之后逐渐下降,在t=9.711 s 后消失.图3(e)中的边界辐射EdgeIAXUV和芯部辐射CoreIAXUV强度与IMoV和IMoXXIV谱线强度具有相似的时间演化行为.从图4(a),(b)钼杂质爆发前后辐射剖面的时空演化分布也可以看出与图3(d)一致的钼杂质爆发及输运现象.为了更准确进行谱线的分析和识别,选用在钼杂质爆发前t0=9.172 s和爆发期间t1=9.497 s 两个时刻点(如图3 中两条点划线所示)观测到的全谱进行对比.图5 所示为钼杂质爆发前和爆发期间5—485 Å波段范围EUV 全谱以及谱线识别结果.图5(a)—(d)所示EUV全谱分别是利用EUV_Short,EUV_Long_a,EUV_Long_c,EUV_Long_b 谱仪观测的结果.谱线的识别是基于原子数据库NIST[25]和已发表的实验数据[16,18,19],并结合归一化谱线强度随时间的演化行为进行验证.图5 所示为由不同颜色标注的所识别出的谱线,其中绿色表示电离态离子Mo24+-Mo29+发出的Mo XXV-Mo XXX 谱线,红色表示电离态离子Mo4+-Mo23+发出的Mo V-Mo XXIV 谱线,黑色表示其他杂质离子谱线.

图3 发生钼杂质溅射的典型波形图 (a) 等离子体电流Ip;(b) 低杂波、离子回旋和中性束加热功率(PLHW,PICRF,PNBI);(c) 芯部弦平均电子密度ne;(d) 归一化的Mo V 258.069 Å和Mo XXIV 70.726 Å线辐射强度(IMoV,IMoXXIV);(e) 归一化的边界辐射和芯部辐射强度(Edge IAXUV,Core IAXUV)Fig.3.Typical waveform of discharge with molybdenum impurity sputtering:(a) plasma current,Ip;(b) heating power of low hybrid wave,PLHW,ion cyclotron range of frequency heating,PICRF,and neutral beam injection,PNBI;(c)central line-averaged electron density,ne;(d) normalized intensities of Mo V at 258.069 Å,IMoV,and Mo XXIV at 70.726 Å,IMoXXIV;(e) normalized radiation intensities observed by fast AXUV system along an edge and central chord,Edge IAXUV,and Core IAXUV,respectively.

图4 EAST #101700 放电中钼杂质爆发前后辐射分布(a) 9.1—9.9 s 的时间演化;(b) t=9.172 s,9.480 s,9.497 s 3 个时刻Fig.4.Radiation profiles before and after the molybdenum impurity burst in EAST #101700 discharge:(a) Time evolutions during 9.1—9.9 s;(b) at three timings of t=9.172 s,9.480 s and 9.497 s.

图5 EAST #101700 放电钼杂质爆发前325 ms(灰色线,t=9.172 s)和爆发期间(蓝色线,t=9.497 s)观测5—485 Å波段范围的EUV 光谱 (a) 5—45 Å;(b) 45—165 Å;(c) 165—285 Å;(d) 285—485 ÅFig.5.EUV spectra observed 325 ms before (grey lines,t=9.172 s) and during (blue lines,t=9.497 s) the molybdenum burst at the wavelength ranges of 5—485 Å in EAST discharge #101700:(a) 5—45 Å;(b) 45—165 Å;(c) 165—285 Å;(d) 285—485 Å.

图5(a)所示为5—45 Å波段范围的钼光谱.在15—27 Å波段范围,出现了强度较弱的钼未分辨跃迁系(Mo unresolved transition array,Mo-UTA),经分析其主要由电离态Mo19+-Mo24+(Mo XX-Mo XXV)的4d—3p,4f—3d 跃迁的谱线组成[18].本文在EAST 上观测到27—45 Å波段范围的钼谱线.通过与TFR 装置结果对比[18],确定由Mo14+-Mo17+(Mo XV-Mo XVIII)的5f—3d,4f—3d,4p—3d 跃迁的谱线组成,其中Mo14+(Mo XV)离子的共振线3d95f1P°1→3d101S0(29.458 Å)和3d94f1P°1→3d101S0(35.368 Å),以 及Mo15+(Mo XVI)离子的32.916 Å谱线强度较强且分立,可用于钼杂质诊断和输运研究.同时在该波段还发现了6 条强度较强的新谱线:(27.21 ± 0.01) Å,(27.37 ±0.01) Å,(28.99 ± 0.01) Å,(30.81 ± 0.01) Å,(31.54 ± 0.01) Å,(31.83 ± 0.01) Å.根据该波段范围附近已知的其他钼谱线,可以初步推断这6 条谱线是Mo XV-Mo XVIII 线.

图5(b)所示为40—165 Å波段范围的钼光谱.EAST 上首次观测到45—60 Å波段范围内的钼谱线.波长在45—50 Å范围内的谱线主要由Mo15+(Mo XVI)的4p—3d 跃迁线组成,然而由于谱线强度较弱,目前很难进行精确识别.50—60 Å波段内的谱线主要由Mo12+-Mo15+(Mo XIII-Mo XVI)的4p—3d,4s—3d 跃迁线组成,其中包含一些强度较强且独立的禁戒跃迁线,例如Mo XV 57.927 Å(3d9(2D3/2)4s (3/2,1/2)2→3d101S0)和58.832 Å(3d9(2D5/2)4s (5/2,1/2)2→3d101S0)的电四极子跃迁(electric-quadrupole,E2)[27],另外通过图6(b)电离态归一化谱线强度随时间演化的方法,在波长(115.865 ± 0.01) Å和(117.738 ± 0.01) Å处观测到这两条E2 线的二阶谱(2ndMo XV:2 × 57.927 Å,2 × 58.832 Å).在65—95 Å波段范围内观测到的Mo-UTA 是由Mo16+-Mo29+(Mo XVII-Mo XXX)的跃迁线组成[16,19].在130—165 Å波段范围内,虽然存在一些较强的铜杂质谱线,但对钼谱线的识别并无影响;另外65—95 Å波段的Mo-UTA 在该波段范围的二阶谱强度非常弱.经过仔细识别,可以确定出该波段主要由Mo7+-Mo11+(Mo VIII-Mo XII)的5s—4p,4p—4p 跃迁线组成,包括Mo VIII 133.168 Å,134.362 Å,136.782 Å,Mo X 152.683 Å,157.624 Å,159.219 Å和Mo XII 131.394 Å.

图6 EAST #101700 放电中四条钼离子归一化谱线强度随时间的演化 (a) Mo VII 235.694 Å;(b) Mo XV 57.928 Å,2nd Mo XV 115.856 Å;(c) Mo XXIV 70.726 ÅFig.6.Time evolutions of the four molybdenum ions normalized line emission intensities in EAST #101700 discharge:(a) Mo VII at 235.694 Å;(b) Mo XV at 57.928 Å and 2nd Mo XV at 115.856 Å;(c) Mo XXIV at 70.726 Å.

图5(c)是由EUV_Long_c 观测到的165—285 Å波段范围内的钼光谱.由于EUV_Long_c谱仪的观测弦靠近边界,因此在该波段范围观测到较低电离态的Mo 离子谱线,例如Mo VI(227.801 Å),Mo IX(176.682 Å,231.991 Å,237.843 Å),Mo XII(250.112 Å).图5(d)是由EUV_Long_b观测到的285—485 Å波段范围的钼光谱.该波段存在一些强度很强的分立谱,利用谱线强度随时间演化的特点可判断为低阶电离态钼离子谱线,通过NIST 数据库对比可以确定为Mo XIII(340.909 Å,3d104s4p1P°1→3d104s21S0),Mo XIV(373.647 Å,3d104p2P°3/2→3d104s2S1/2)线以及4p—4s 跃迁的Mo XV(347.339 Å,365.924 Å),Mo XII (329.414 Å,336.639 Å,391.125 Å)谱线.该波段同时还观测到一些低Z杂质离子谱线,例如He II 和C IV 等,这些谱线用于波长的原位标定.

图6 所示为4 条典型的较低电离态到较高电离态归一化的钼谱线强度随放电时间的演化行为,其中图6(a)是较低电离态Mo VII 235.694 Å谱线;图6(b)是中阶电离态 Mo XV 57.928 Å以及其二阶谱2ndMo XV 115.856 Å谱线;图6(c)是较高电离态Mo XXIV 70.726 Å谱线.当钼杂质溅射事件发生以后,低阶电离态Mo VII 235.694 Å谱线强度随时间快速上升并在t=9.478 s 达到峰值,随后快速下降.中阶电离态Mo XV 57.928 Å和高阶电离态Mo XXIV 70.726 Å谱线在t=9.497 s 才达到峰值,随后缓慢的下降.电离态谱线归一化的时间演化行为与电子温度分布以及等离子体粒子约束及输运特性相关.本文利用杂质谱线归一化的时间演化行为对于所识别的谱线进行验证.

表1 总结了5—485 Å波段范围内识别的钼谱线,包括钼线、电离态、电离能、波长与跃迁能级.其中谱线波长实验值一栏由λexp± Δλerr的形式给出.对于谱线波长的参考值落在误差棒之外的谱线均采用时间演化对比的方法进行检验,可以确定是该条谱线.粗体表示可用于杂质诊断和输运研究的12 条谱线.

表1 在EUV 波段识别的钼谱线Table 1.Identified molybdenum lines in EUV range.

表1（续）在EUV 波段识别的钼谱线Table 1 (continued).Identified molybdenum lines in EUV range.

4 总结与展望

本工作主要利用2021 年EAST 上升级的四套快速EUV 光谱仪对较低电子温度(Te0=1.5 keV)等离子体中5—485 Å波段范围内由瞬态钼杂质溅射产生的钼光谱进行了系统性的识别.在15—30 Å和65—95 Å波段范围分别观测到由电离态Mo19+-Mo24+(Mo XX-Mo XXV)与Mo16+-Mo29+(Mo XVIIMo XXX)组成的Mo-UTA.同时识别并分析了27—60 Å和120—485 Å波段范围内Mo4+-Mo17+离子发出的多条Mo V-Mo XVIII 谱线,包括EAST 上首次观测到强度较强且分立的禁戒线及共振线(Mo XV 50.448 Å,57.927 Å,58.832 Å,Mo XIV 373.647 Å,423.576 Å,Mo XIII 340.909 Å,352.994 Å);而且在27—32 Å波段范围发现强度较强的6 条钼的新谱线,根据附近已知的其他钼谱线初步推断是Mo XV-Mo XVIII 线.另外,确定了12 条用于物理研究强度较强的分立谱线.本文为深入研究从边界到芯部的高Z杂质输运行为奠定了基础.下一步计划利用这些已识别的用于杂质输运研究的谱线在EAST 托卡马克装置运行期间实时监测等离子体中的杂质行为.同时,利用空间分辨的EUV谱仪[28,29]测量出对应电离态的杂质谱线的空间分布,并通过相应的反演,最后得出杂质浓度的时空分布;结合模拟工具根据已获得的杂质浓度的时空演化分布可以计算出杂质粒子输运系数,根据输运的特点从而寻找出控制芯部杂质聚芯、降低杂质含量的方法.此外,这些谱线的观测和识别还可以为天体物理和原子物理领域中元素的精确识别、高Z元素原子结构研究提供参考.