沈永才，何 梁

（1.合肥師范學院 物理與材料工程學院，安徽 合肥 230601；2.中國科學院 等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031）

高溫等離子體中的雜質主要來源于等離子體與壁材料的相互作用。雜質的存在會稀釋主等離子體燃料、污染主等離子體，過高的雜質會影響等離子體品質、電流分布以及密度控制等[1-3]。高Z金屬雜質（如鎢、鉬等）由于其良好的材料性能（高熔點以及低濺射率等優(yōu)點），已成為高溫核聚變裝置壁的首選材料，并且被ITER和CFETR所采用。然而對于高Z雜質，在等離子體中存在較強的輻射損耗，其韌致輻射功率隨溫度和Z2的增加而增加，線輻射也很強，而即使在聚變溫度下，高Z雜質也很難完全電離[4]。在國內外大型聚變裝置上普遍發(fā)現，在高約束模式（H模）或內部輸運壘（ITB）等約束改善模式下，由于新經典效應，高Z雜質極易在芯部聚集，制約芯部等離子體約束性能的提升，嚴重時將中止放電，對長脈沖高約束穩(wěn)態(tài)運行帶來極大挑戰(zhàn)[3-5]。因此，對高溫等離子體芯部的金屬雜質含量進行監(jiān)測，并開展相應的雜質行為研究，探索有效屏蔽雜質或者降低聚集在芯部的雜質濃度方法對于托卡馬克物理研究具有重要意義。

目前，國內外中大型主流聚變裝置的芯部電子溫度都已突破keV量級。在該溫度下，大量的雜質輻射存在于軟X射線和極紫外波段。在線輻射觀測方面，相比于可見光，軟X射線和極紫外波段具有獨特的優(yōu)勢，能觀測到如低Z雜質碳、氧等的類氫、類氦線，以及高Z雜質如鐵、銅和鉬等的類鋰、類氖線。近年的實驗中，EAST托卡馬克裝置采用金屬鉬、鎢作為第一壁和偏濾器材料，而真空室和射頻波天線使用的不銹鋼材料含有鐵、鎘、銅、鎳等金屬，這些都為EAST等離子體提供了豐富的金屬雜質源。借助于軟X射線及極紫外光譜診斷[6-10]，觀測到豐富的金屬雜質線輻射譜線。

基于雜質光譜診斷，國內外在雜質聚芯及抑制方面開展了大量研究。比較有代表性的結果是采用近軸的射頻波加熱，雜質或許可以被有效地從芯部排出。該現象在FTU、ASDEX、C-Mode、K-STAR、JT-60U[11-15]等裝置上都曾被觀測到，如在C-Mode實驗中，采用近軸的離子回旋共振加熱，芯部電子密度和雜質峰化趨勢得到抑制。

本文首先介紹高溫等離子體芯部雜質測量診斷（以EAST上的軟X射線和極紫外光譜診斷為例），并基于該診斷，研究高溫等離子體中的鎢、銅、鐵等金屬雜質線輻射譜線及其剖面分布。然后，研究高Z金屬雜質在不同放電條件下的行為，采用不同控制手段來實現芯部金屬雜質含量抑制，如采用近軸電子回旋波加熱和撒鋰粉等方式在一定程度上緩解高Z雜質聚芯。

1 軟X射線和極紫外光譜診斷

軟X射線和極紫外光譜對應的波段通常是指1 nm～50 nm，鑒于該波段光譜診斷在雜質測量方面的重要作用，國際上主流磁約束核聚變裝置都將其視為核心診斷之一。

EAST裝置上的XEUV診斷主要由狹縫、凹面變間距光柵及探測器三部分組成。狹縫的水平寬度與光譜的譜分辨率有關，縫寬可在（0～0.5）mm范圍內調整；狹縫的豎直高度對光譜儀的空間分辨能力有影響，縫高可在（0～1）cm范圍內變化。

核心分光元件采用凹面變間距光柵，該光柵成像是基于羅蘭圓原理[16]。入射狹縫放置在羅蘭圓上，光柵刻線與狹縫保持平行，通過狹縫的光經凹面變間距光柵衍射分光后，以不同波長譜線λ1,λ2,λ3,…成像于羅蘭圓上。衍射光譜滿足光柵方程：

式中，α為入射角，β為衍射角，d為光柵常數，k為光譜級數。在變間距光柵中d為變量，通過改變d，可以實現一定波長范圍的光譜聚焦偏離羅蘭圓而成一直線，如圖1所示。該類型光柵在極紫外波段光譜儀中應用較為廣泛。

圖1 凹面變間距光柵光路簡單示意圖

光譜儀所采用的探測器為電荷耦合器件（CCD），由Andor公司生產的大陣面CCD像元數為2 048*2 048，像元尺寸為（13.5×13.5）μm2，感光面積為（27.6×27.6）mm2。該探測器的讀出數率最高可達5 MHz。CCD主要讀數模式有Multi-track（MT）模式、Full vertical Binning（FVB）模式以及成像模式。實驗中，我們常采用FVB模式和MT模式。兩者的區(qū)別在于FVB模式將所有的行并到一起，沒有空間分辨能力；而MT模式可以將部分行和列像元疊加成為一個整體，所獲得的數據具有一定的空間分辨能力，其空間分辨能力可由下式獲得，

其中，M為物到狹縫距離與狹縫到成像面距離的比值，P為像元尺寸，d為狹縫的高度，N為合并的像元數，將目前的M、P、d和N的數值代入，可得目前的空間分辨能力為24.5 mm。

基于目前光譜儀各部件的參數設置，我們得到光譜儀的主要參數為光譜范圍（1～50）nm，光譜分辨率為0.015 nm@20 nm，空間分辨率為24.5 mm，儀器工作范圍（0～450）mm（芯部等離子體上半空間），時間分辨率為20 ms。

在完成光譜儀的整體研制后，需要對光譜儀進行波長標定。相比于可見光光源、紅外或紫外波段光源，該波段的光源較為稀缺。目前波長標定主要采用特定光源，如中國科技大學的同步輻射源、托卡馬克裝置中等離子體放電光源。圖2為同步輻射源現場波長標定圖。

圖2 同步輻射波長標定現場圖

利用測量得到的譜線，可以獲得光譜儀探測器像素和波長的函數關系，一般采用線性、二次、三次等多項式函數進行擬合。本研究可以采用以下的三次函數擬合算法進行計算，

其中，N為探測器像元序號，a0、a1、a2和a3為對應項系數。將數條特征譜線的波長和像元序號關系代入求解，可以獲得多項式的系數。在完成波長標定后，將光譜儀安裝到托卡馬克裝置中，而光譜儀整體搬遷所帶來的微小誤差可通過托卡馬克中的特征譜線來校正。圖3為EAST裝置上采用類氫氧線O VIII（波長為1.897 nm）和類氫碳線C VI（波長為3.73 nm）進行的波長再標定結果，在托卡馬克裝置中，碳氧雜質較為常見，而且這兩條譜線輻射較強，基本上每一次放電都能被觀測到，故可用于光譜儀實時的精確校準。

圖3 XEUV光譜儀在托卡馬克裝置中的波長標定

2 高溫等離子體芯部雜質測量

EAST托卡馬克裝置中的金屬雜質主要來源于鎢、鉬、鐵和銅等，基于軟X射線和極紫外光譜診斷所獲得的金屬雜質線輻射典型光譜參見圖4、5以及表1。圖4為XEUV光譜儀在EAST裝置上觀測到的鎢雜質譜線，在（4～6）nm波段較為集中，主要的電離態(tài)為W XXVII-XXX。鎢雜質譜非常復雜，對雜質的識別帶來一定的困難，在較高的光譜分辨率儀器下才有可能實現精確識別。在更高電子溫度下，鎢雜質譜線會呈現更高的電離態(tài)輻射譜線光譜，如圖5為XEUV光譜儀在EAST裝置上觀測到（12～14）nm波段的鎢雜質譜線，該部分鎢雜質電離態(tài)主要集中在W XL-XLVII，分布比較獨立，且在較高的等離子體電子溫度下（大于2 keV）才會出現。鉬雜質譜線主要集中在（7～13）nm，表1為（6.7～8.4）nm范圍內觀測到的鉬雜質線輻射譜線，其電離態(tài)主要集中在Mo XVIII-Mo XXVIII，較為密集，而在（8～13）nm范圍存在若干條較為分立的鉬雜質譜線[9]，在EAST上觀測到的其它金屬雜質光譜已在部分文獻中報道過，這里就不再贅述了。

表1 光譜儀在EAST裝置中觀察到的典型鉬雜質譜線列表

圖4 XEUV光譜儀在托卡馬克上觀測到的典型鎢雜質譜線

圖5 XEUV光譜儀在托卡馬克上觀測到的（12～14）nm波段鎢質譜線

光譜雜質譜線的精確識別主要依賴于原子數據模型的理論計算和實驗結果的對比，國際上已經有大量的科學家參與了線輻射光譜的計算和實驗確認工作，本文中的雜質譜線主要通過查找國際原子數據庫（NIST）[17]和部分其他科研工作者的工作來實現。

當探測器在MT模式下工作時，可以獲得雜質線輻射空間分布。圖6為典型的不同雜質電離態(tài)的空間分布圖。雜質譜線來源于C VI、O VIII、Ar XV和Mo XXXI電離態(tài)，這些雜質的剖面不同，有依次向芯部聚集的趨勢，主要與其電離能不同有關。其中，C VI電離能為490 eV，Ar XV為854 eV，O VIII為871 eV，Mo XXXI為1 726 eV。電離能越高的雜質電離態(tài)，雜質離子在芯部占比越多，這也是高Z雜質常常在等離子體芯部聚集的原因之一。

圖6 EAST裝置上不同雜質的剖面分布。（a）C VI剖面；（b）Ar XV剖面；（c）O VIII剖面；（d）Mo XXXI剖面

3 高溫等離子體芯部的金屬雜質行為

在托卡馬克裝置中，為了等離子體獲得更高溫度以及進行高約束模式放電，需要配以輔助加熱裝置來加熱等離子體，如離子回旋波、低雜波、中性束注入、電子回旋波加熱等方式。當這些輔助能量被注入到等離子體中，會增加等離子體和壁的相互作用，濺射出更多的雜質，如不采取合適的方式排出，將會增加主等離子體中的雜質含量。圖7為典型的以低雜波和離子回旋波加熱為主的等離子體放電波形圖。放電初期，純歐姆加熱，溫度比較低，環(huán)電壓加高，Fe XXXII譜線的強度比較弱。當低雜波在0.8 s注入到等離子體中，Fe的輻射強度增強。而在離子回旋波注入期間，Fe輻射進一步加大，表明等離子體與壁材料相互作用進一步增強。當低雜波加熱關斷時，Fe強度也很快回落。圖中CXUV信號表示的是總輻射強度，其趨勢與Fe線強度演化相似。

圖7 托卡馬克裝置上低雜波和離子回旋波加熱對金屬雜質行為影響。（a）電流信號；（b）環(huán)電壓信號；（c）低雜波加熱功率；（d）離子回旋加熱功率；（e）XUV輻射強度；（f）Fe線輻射強度隨時間演化

除了輔助加熱帶來的雜質輻射增強以外，當等離子體放電由低約束模式向高約束模式轉變時，也會引起芯部等離子體區(qū)域的輻射增強。圖8為托卡馬克上觀測到的由低約束模式進入高約束模式時金屬雜質的時間演化情況。當等離子體放電由低約束模式進入高約束模式時（時間為3.6 s），電子密度上升，總輻射信號增強，碳雜質和氧雜質都增強，而當等離子體退回到低約束模式時（時間為4.3 s），雜質輻射減弱。之后經歷數次高低約束模式轉換，雜質呈現類似變化。

圖8 高溫等離子體中典型高低約束模式轉換過程中金屬雜質行為。（a）電流信號；（b）環(huán)電壓信號；（c）弦積分電子密度；（d）Hα強度；（e）總輻射強度；（f）C VI線輻射強度；（g）O VIII線輻射強度隨時間演化

為了應對高Z金屬雜質在高功率加熱、高約束和長脈沖放電中的雜質聚芯問題，本文探索了多種手段來降低芯部高Z雜質。通過在等離子體放電過程中注入低Z雜質如鋰，可以在邊界產生輻射以降低等離子體與壁材料中高Z雜質的相互作用。圖9為在EAST放電過程中撒入鋰粉的實驗結果，鋰開始增加的時刻即為撒鋰粉的時間點，在（5～8）s可以看到鋰粉的注入能有效緩解芯部的鉬雜質聚芯行為。

圖9 撒鋰粉對高Z金屬雜質鉬的影響。（a）Li III隨時間演化；（b）Mo XXXI隨時間演化

近軸電子回旋波對雜質聚芯的抑制也被國內外眾多裝置報道過，在EAST裝置中也多次觀測到此現象。圖10為近軸電子回旋波注入對芯部鐵雜質的影響，在電子回旋波注入期間，芯部鐵雜質含量降低到原來的20%左右，表明其在芯部排雜方面效果顯著。電子回旋波排雜的機理尚不完全明確，主流觀點認為其與芯部的湍流輸運有關。除此之外，共振磁擾動線圈（RMP）也被用來進行芯部排雜實驗研究，在EAST上的典型結果見圖11。在RMP注入期間，芯部的碳和鐵雜質都大量減少，剖面呈現中空分布。對于RMP的芯部排雜，一方面認為與進入等離子體中的雜質粒子通量有關；另一方面也可能與輸運有關，但其機制也尚不明確。

圖10 近軸電子回旋波對鐵雜質的影響

圖11 共振磁擾動對鐵雜質的影響

4 總結

高溫等離子體中的高Z雜質聚芯是影響高溫等離子體長脈沖高約束模式穩(wěn)態(tài)運行的關鍵問題。在研制軟X射線和極紫外光譜診斷的基礎上，對EAST上的金屬雜質鎢和鉬等譜線進行測量，并基于譜線數據研究了不同放電條件下的金屬雜質行為，提示了在高約束模式和高功率加熱下，高Z雜質聚芯將不可避免。采用撒鋰粉、近軸電子回旋波加熱以及RMP注入，可以在一定程度上緩解高Z雜質聚芯。但是，其物理機制尚不清晰，且高溫等離子體放電有眾多不可控因素，導致芯部排雜不能達到穩(wěn)定的效果。未來還需要在芯部排雜方法和物理機制研究中開展更多的實驗探索，才能有效降低甚至避免雜質聚芯對高溫等離子體放電造成的影響。