1 中国科学院合肥物质科学研究院 合肥 230031
2 中国科学技术大学 合肥 230026
采用氘、氚燃料的核聚变反应会产生大量的中子、γ射线及活化产物等，对人员和环境的辐射安全产生影响。为了减小电离辐射带来的影响，需要准确掌握聚变装置核辐射场强度的时间与空间分布信息。世界上已建设的磁约束聚变装置，均根据其自身运行工况特点，建立了完整的核辐射监测系统来应对电离辐射带来的潜在影响。通过对磁约束聚变装置运行及维护期间辐射剂量的监测，获得实验场所与外围环境的电离辐射和放射性核素数据，为辐射安全防护管理提供数据支撑。基于对国内外磁约束聚变装置辐射监测系统的调研，本文归纳了此类装置主要的电离辐射源项及监测系统架构，进而介绍了磁约束聚变中子与γ辐射剂量的测量方法及常用探测器。最后综述了国内外核聚变装置辐射监测系统的研究状况，展望了未来核辐射监测系统的发展趋势与目标。
磁约束聚变 电离辐射 中子 γ射线 辐射监测 Magnetic confinement fusion Ionizing radiation Neutron γ ray Radiation monitoring
1 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院 合肥 230026
利用软X射线、中子注量检测诊断系统和偏振干涉仪（Polarimeter-interferometer，POINT）约束下的平衡反演算法（Equilibrium Fitting Algorithm，EFIT），对东方超环（Experimental Superconducting Tokamak，EAST）等离子体在离子回旋共振频率波（Ion Cyclotron Resonance Frequency wave，ICRF）在轴沉积加热下的锯齿周期，锯齿幅度，面处等离子体压强梯度，面的半径的变化情形进行了研究。研究发现，在轴沉积情况下，加入ICRF可以对锯齿起致稳作用（延长锯齿周期），锯齿周期与ICRF功率呈正相关；锯齿周期随着ICRF的加入或者ICRF功率的变化趋势，与锯齿幅度和面处等离子体压强梯度变化趋势大体上一致；要改变面半径，ICRF的功率可能需要到0.8 MW以上；在ICRF功率占比更高的加热条件下，锯齿周期和面半径随着ICRF功率变化更敏感；EAST中ICRF产生的快离子和导致的面半径的变化可能对锯齿行为有一定的影响。
东方超环 离子回旋频率波加热 锯齿模 EAST tokamak Ion cyclotron resonance frequency (ICRF) Sawtooth oscillation
1 中国科学院技术生物与农业工程研究所, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院大学合肥物质科学研究院, 安徽 合肥 230026
3 中国科学院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 230026
4 深圳大学光电工程学院, 广东 深圳 518060
5 光电子器件系统(教育部/广东省)重点实验室, 广东 深圳 518060
6 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
介绍了东方超环(experimental advanced supereonducting tokamak, EAST)托卡马克上的两套快速极紫外(EUV)光谱仪系统波长的原位标定方法、 结果及其应用。 这两套谱仪均为掠入射平场谱仪, 时间分辨均为5 ms·frame-1。 两套谱仪分别工作在20～500和10～130 的波段范围, 由步进电机控制探测器在焦平面上移动实现整个观测波段上的波长扫描。 利用这两套谱仪系统观测极紫外波段光谱, 计算EAST中低-高Z杂质离子特征线辐射强度随时间的演化, 监测和研究等离子体中杂质的行为。 高Z杂质尤其是钨、 钼等金属元素, 发出的EUV波段光谱的构成非常复杂, 准确识谱对谱仪精确的波长测量能力以及谱分辨能力要求很高, 因此精确的波长标定是识别钨、 钼等高Z杂质谱线以及研究它们行为的最关键的技术之一。 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它们的二阶甚至三阶谱线, 结合谱仪系统的色散能力, 对这两套快速极紫外光谱仪的波长进行了精确的原位标定。 用于波长标定的杂质谱线有O Ⅷ 18.97 , O Ⅶ 21.60 , C Ⅵ 33.73 , Li Ⅲ 113.9 , Li Ⅲ 135.0 , Li Ⅱ 199.28 , Ar ⅩⅤ 221.15 , He Ⅱ 256.317 , He Ⅱ 303.78 , Ar ⅩⅥ 353.853 及C Ⅳ 384.174 等。 利用波长标定的结果对观测到的EUV光谱进行谱线识别, 两套谱仪观测到的绝大多数谱线波长与美国技术标准局(National Institute of Standards and Technology, NIST)数据库的标准波长相差分别小于0.08和0.03 。 开发了谱仪波长原位标定程序模块, 将这个模块内嵌到谱仪数据实时上传的交互式软件中, 实现了全谱数据以及特征谱线强度随时间演化数据的实时处理和上传。 同时利用开发的全谱分析交互式软件以及EAST上的数据查看软件, 最终实现了快速EUV谱仪自采数据的准实时分析、 读取和查看。
EAST托卡马克 极紫外波段(EUV)光谱仪 波长标定 钨光谱 EAST Extreme Ultraviolet (EUV) spectrometer Wavelength calibration Tungsten spectra 光谱学与光谱分析
2019, 39(8): 2645
中国科学院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 230026
磁约束等离子体中杂质(特别是高Z杂质)的存在将大大增强等离子体辐射功率损失, 破坏等离子体的约束性能。 杂质行为的定量研究首先要求对杂质测量的光谱诊断系统进行绝对强度标定, 获得灵敏度响应曲线。 介绍了EAST托卡马克上的快速极紫外光谱仪系统绝对强度的原位标定方法。 在波长范围20～150 内, 通过对比极紫外(EUV)波段连续轫致辐射强度的计算值和测量值得到光谱仪的绝对强度标定。 在此过程中, 首先由(523±1) nm范围内可见连续轫致辐射强度的绝对测量值计算出有效电荷数Zeff, 进而结合电子温度和密度分布计算EUV波段连续轫致辐射强度； EUV波段连续轫致辐射强度的测量值即为不同波长处探测器的连续本底计数扣除背景噪声计数值。 对于较长波段范围130～280 , 通过对比等离子体中类锂杂质离子(Fe23+, Cr21+, Ar15+)和类钠杂质离子(Mo31+, Fe15+)发出的共振谱线对(跃迁分别为1s22s 2S1/2—1s22p 2P1/2, 3/2及2p63s 2S1/2—2p63p 2P1/2, 3/2)强度比的理论和实验值进行相对强度标定。 其中共振谱线对强度比的理论值由辐射碰撞模型计算得到, 模型中处在各个能级的离子数主要由电子碰撞激发, 去激发以及辐射衰变三个过程决定。 两种方法相结合, 实现了光谱仪20～280 范围的绝对强度标定。 考虑轫致辐射、 电子温度及电子密度的测量误差, 绝对标定误差约为30%。 在绝对标定的基础上, 我们对杂质特征谱线强度进行绝对测量, 并将测量结果与杂质输运程序结合ADAS(Atomic Data and Analysis Structure)原子数据库计算得到的模拟值进行比较, 进而估算等离子体中的杂质浓度。
EAST托卡马克 极紫外波段(EUV)光谱仪 绝对标定 轫致辐射 共振谱线对 EAST Extreme Ultraviolet (EUV) spectrometer Bremsstrahlung The absolute calibration The relative calibration The branching ratio 光谱学与光谱分析
2018, 38(4): 1262
1 中国科学院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230031
3 General Atomics, P.O. Box 85608, San Diego, California 92186, USA
在托卡马克偏滤器区域充入杂质气体是检验偏滤器杂质屏蔽效应的重要手段。 利用快速极紫外EUV光谱仪对EAST托克马克装置上开展的偏滤器Ar杂质注入实验进行观测。 结合NIST原子光谱数据库对2～50 nm范围内不同电离态Ar的线光谱进行了谱线识别, 识别出Ar Ⅳ, Ar Ⅸ-Ⅺ, Ar ⅩⅣ-ⅩⅥ等若干个电离态的谱线。 为了同时观测等离子体不同区域的Ar杂质行为, 在杂质注入实验时重点监测Ar ⅩⅥ35.39 nm(Ar ⅩⅥ电离能918.4 eV, 主要分布在等离子体芯部)和Ar Ⅳ44.22 nm(Ar Ⅳ电离能9.6 eV, 主要分布在等离子体边界)这两条谱线。 利用该两条谱线强度随时间演化的结果初步分析了偏滤器杂质屏蔽效应。 在同一充气口不同等离子体位形下的实验结果表明偏滤器对于从偏滤器区域注入Ar杂质的屏蔽效果优于从主等离子体区域注入, 并且下偏滤器及内冷泵的综合粒子排除能力优于上偏滤器。
Ar极紫外光谱 EAST托克马克 偏滤器 杂质屏蔽 Ar extreme ultraviolet spectra EAST Tokamak Divertor Impurity screening 光谱学与光谱分析
2016, 36(7): 2134
1 东华大学 应用物理系, 磁约束核聚变教育部研究中心, 上海 201620
2 中国科学院 等离子体物理研究所, 合肥 230031
在HT-7托卡马克的等离子体密度调制实验中, 通过对欧姆和低杂波电流驱动两种放电条件下等离子体逃逸电子辐射行为的研究, 验证了非准稳态等离子体中逃逸电子的产生机制, 研究了欧姆和低杂波电流驱动两种放电条件下的大量充气对等离子体整体约束性能的影响。研究结果发现：放电过程中额外的大量工作气体的充入使等离子体偏离了准稳态, 逃逸电子初级产生机制和次级产生机制准稳态的假设条件被打破, 这时候需要利用非准稳态条件下修正后的逃逸电子归一化阈值速度来解释逃逸电子的辐射行为；同时也发现放电过程中额外的大量工作气体的充入将使等离子体的整体约束性能变差。
托卡马克 密度调制 逃逸电子 归一化阈值速度 Tokamak density modulation runaway electron normalized critical velocity 强激光与粒子束
2012, 24(11): 2655
1 东华大学 应用物理系， 上海 201620
2 中国科学院 等离子体物理研究所， 合肥 230031
分析了电流爬升阶段等离子体密度和电流爬升率对逃逸电子行为的影响，研究了低杂波辅助电流驱动条件下的逃逸电子辐射行为。结果发现：电流爬升阶段等离子体密度的大小严重影响了电流爬升阶段甚至电流平顶阶段逃逸电子的行为，较低的等离子体密度将会导致放电过程中比较强的逃逸电子辐射；低能逃逸电子辐射随着电流爬升率的增大而增强；低杂波辅助电流爬升可以有效地节约装置的伏秒数；降低放电过程中的环电压，可有效抑制逃逸电子的产生。
托卡马克 电流爬升 逃逸电子 阈值速度 密度 Tokamak current ramp-up runaway electron critical velocity plasma density
1 中国科学院等离子体物理研究所,安徽,合肥,230031
2 合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽,合肥,230009
利用束流截止板热量计原理,测量了诊断中性束(DNB)注入托卡马克的束流功率及束流剖面分布.基于热量截止板上正交分布的13只K型热电偶探针测量出DNB引出束流,在加速极电源49kV,6A,100ms的脉冲放电时,采样铜靶上的最高温升为14℃,从而计算出注入束流功率达到160kW并得到束剖面分布.同时通过对热量截止板冷却循环水温升测量值在时间上的积分数值计算,也获得了注入束流总功率,为130kW.分析了两种测量结果存在差异的原因,实验结果表明惯性束截止板热量计方法是测量粒子束流功率及剖面分布的有效手段.
诊断中性束 束截止热量计 束流功率 束流剖面分布 Diagnostic neutral beam Calorimeter system Beams power Beams profile distribution 强激光与粒子束
2005, 17(12): 1875
