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TOKAMAK Spectral Analytics Techniques and Our Relative Products

TOKAMAK光譜診斷與我們的產(chǎn)品

               ——從中子，X-ray到可見光,從穩(wěn)態(tài)測(cè)量到超高速時(shí)間分辨測(cè)試

托卡馬克（Tokamak）是一種利用磁約束來實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器，最初是由蘇聯(lián)庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在20世紀(jì)50年代發(fā)明的。托卡馬克的中央是一個(gè)環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈，在通電的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場(chǎng)，將真空室中的等離子體加熱到很高的溫度，以達(dá)到發(fā)生核聚變反應(yīng)所需的條件。

托卡馬克裝置中等離子體溫度可以達(dá)到幾千萬甚至上億攝氏度，從X射線到微波波段均有很強(qiáng)的輻射。聚變等離子體的輻射探測(cè)，特別是從X射線到可見光波段的發(fā)射光譜診斷，是發(fā)展比較早的診斷項(xiàng)目之一。從電子在躍遷前后的狀態(tài)來看，聚變等離子體發(fā)射的光譜可分類為：
 

自由態(tài)→自由態(tài)：軔致輻射、回旋輻射
 

束縛態(tài)→束縛態(tài)：線輻射
 

自由態(tài)→束縛態(tài)：復(fù)合輻射、雙電子輻射
 

其中軔致輻射、復(fù)合輻射和雙電子輻射是連續(xù)譜，回旋輻射和線輻射是線狀譜。復(fù)合輻射和雙電子輻射有時(shí)合稱復(fù)合輻射。等離子輻射的線狀譜線主要來自雜質(zhì)離子。在小型裝置上，等離子體線輻射主要是低 Z 的輕雜質(zhì)，而在大中型裝置上，線輻射則主要來自未完全電離的高 Z 金屬雜質(zhì)離子。
 

在等離子體參數(shù)較低的小型托卡馬克裝置上，等離子體的輻射主要位于真空紫外和可見光波段。下圖為捷克一個(gè)小托卡馬克裝置 CASTOR 中的等離子體發(fā)射光譜，主要在真空紫外和可見光波段。其線狀譜主要是 O，N和 C 的雜質(zhì)譜線。從等離子體發(fā)射光譜圖上可以較為容易地辨別等離子體中雜質(zhì)的種類和電離狀態(tài)。以 C 為例，譜線上標(biāo)志的光譜符號(hào)和相應(yīng)的電離態(tài)的關(guān)系如下表所示：

而在大中型裝置上，等離子體輻射逐漸向短波移動(dòng)，主要探測(cè)區(qū)域?yàn)樽贤?、真空紫外?X 射線。在大中型裝置上，芯部區(qū)域的 C、N和 O等輕雜質(zhì)離子的外層電子被完全剝離。而高Z金屬雜質(zhì)離子由于電離能較高，并未完全電離，仍可以在較短波段（極紫外和X射線波段）觀測(cè)到其輻射的線狀譜線。不同區(qū)域的光譜行為和主要探測(cè)項(xiàng)目也有所不同。這些波段的范圍、分光方法、探測(cè)元件可見下圖：

國內(nèi)的合肥，武漢，成都等地的科研單位也運(yùn)行著多個(gè)托卡馬克裝置。坐落在合肥的中科院等離子體物理研究所的EAST裝置是目前國內(nèi)最大的一個(gè)托卡馬克，其多項(xiàng)等離子體放電指標(biāo)均處于世界先進(jìn)水平。在國際上，由中美歐日韓印俄七方共同參與的超大型國際合作項(xiàng)目國際熱核實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃已經(jīng)進(jìn)入工程建造階段，目前進(jìn)展順利。
 

我們的相關(guān)儀器設(shè)備在托卡馬克等離子體光譜診斷領(lǐng)域有著大量的應(yīng)用，目前已經(jīng)應(yīng)用我們產(chǎn)品的的診斷系統(tǒng)包含：
 

• 電荷符合交換光譜（CXRS）診斷
• 湯姆遜（Thomson）散射
• 運(yùn)動(dòng)斯塔克（Stark）效應(yīng)診斷
• 中性束注入主動(dòng)光譜診斷
• 磁流體動(dòng)力學(xué)（MHD）真空紫外成像診斷
• 用于測(cè)量邊界旋轉(zhuǎn)的邊界被動(dòng)光譜診斷系統(tǒng)
•  

我們可以用于托卡馬克等離子體光譜診斷的設(shè)備包括：
 

• 傳統(tǒng)CT式光譜儀—用于可見與NIR波段以及多道成像光譜
• >=1m長(zhǎng)焦距高分辨光譜儀—用于高分辨與多道成像光譜
• 真空紫外光譜儀
• ICCD—用于時(shí)間分辨光譜與影像
• iSCMOS—快速讀出ICCD
• EMCCD—微弱信號(hào)探測(cè)增強(qiáng)型CCD
• High Speed ICCD—高速ICCD，讀出速度可以達(dá)到10000f/s以上，并且具備時(shí)間分辨能力
• MCP粒子探測(cè)器—可以用于真空粒子探測(cè)
• 基于中階梯的LIBS探測(cè)系統(tǒng)
• 傳統(tǒng)X-ray CCD探測(cè)器
• 單光子計(jì)數(shù)X-ray探測(cè)器
• 條紋相機(jī)—用于超快過程研究
• 高速相機(jī)—用于高速現(xiàn)象研究

用于測(cè)量邊界旋轉(zhuǎn)的邊界被動(dòng)光譜診斷與獲得的多道光譜圖像（100道）

中性注入光譜診斷測(cè)量得到的可見光波段光譜

基于大面積PILUTUS探測(cè)器的X射線彎晶譜儀測(cè)量到的原始譜線圖像

不同的診斷可以測(cè)量不同的等離子體參數(shù)。按照診斷種類不同，我們有不同推薦使用的設(shè)備：

美國McPherson長(zhǎng)焦距光譜儀

美國McPherson公司真空紫外光譜儀

英國Photek公司像增強(qiáng)器與MCP真空成像探測(cè)器
 

Dectris-PILATUS系列單光子X射線探測(cè)器
 

快速讀出ICCD與超高速讀出ICCD（搭配Phantom公司高速讀出探測(cè)器）

Andor公司傳統(tǒng)CT式光譜儀與EMCCD

基于Photonic Science公司中子成像ICCD拍攝到的中子成像實(shí)驗(yàn)圖

CYCLOPS, A proposed high flux CCD neutron diffractometer, Physica B Condensed Matter 385:1052-1054 2005