J-TEXT平台上用于测定边缘氢同位素比的光谱诊断技术的发展

《Fusion Engineering and Design》：Development of spectral diagnostic for edge hydrogen isotope ratio on J-TEXT

氢同位素比例测量；磁约束 fusion；高分辨率光谱诊断；J-TEXT装置；等离子体约束

　　

雷驰|杨周军|程志峰|王能超|余泽志|宣子健|郭燕|朱思宇

中国华中科技大学电气与电子工程学院，先进电磁技术国家重点实验室，磁约束聚变与等离子体物理国际联合研究实验室，武汉430074

摘要

对于磁约束聚变而言，测量氢同位素的比例至关重要。这不仅反映了未来聚变反应堆中的燃料比例，还为研究同位素对等离子体约束的影响提供了定量分析依据。在本文中，基于氢同位素巴尔末-α线辐射的光谱特性，我们在J-TEXT托卡马克装置上开发了一种用于测量等离子体边缘氢（H）和氘（D）比例的光谱诊断系统。为了满足对Hα（656.28 nm）、Dα（656.10 nm）和Tα（656.04 nm）光谱测量的需求，我们采用了一种高分辨率光谱仪，其波长分辨率为0.0073 nm/像素，时间分辨率为5 ms。通过使用多参数光谱拟合算法，并考虑塞曼效应和多普勒展宽，我们开发了相应的分析模块。该诊断系统已在实验中得到应用，实验结果表明，H-D混合比例会受到壁面条件的影响。实验结果证实了这种高分辨率光谱诊断系统在测量J-TEXT装置边缘氢同位素比例方面的卓越性能，为后续的同位素实验提供了必要的H-D浓度信息。

引言

同位素效应是理解磁约束聚变研究中能量约束和传输机制的关键问题[1]。根据回旋-玻姆模型，随着离子质量的增加（${\tau }_E～{\chi }^{?1}～M^{?0.5}$），等离子体约束性能可能会恶化[2]。然而，大量实验结果表明，能量约束时间与质量M的依赖性可能是弱的或正相关的[[3], [4], [5], [6]]。这种不一致性表明，同位素效应的物理机制可能更为复杂，这可能会影响从当前的氢（H）和氘（D）实验到未来D-T燃烧等离子体场景的外推。多项研究表明，等离子体中的有效质量控制着湍流水平，从而影响热传输和整体能量约束[3],[7],[8],[9],[10],[11],[12]]。此外，实验证据表明，增强的湍流会引发从非混合状态到同位素混合状态的转变，导致径向均匀的同位素比例分布[13]。因此，准确测量氢同位素的混合比例对于等离子体约束研究具有重要意义。

有多种技术可用于测量氢同位素比例，包括可见光光谱学[14,15]、电荷交换复合光谱学[16,17]、残余气体分析[18]、中性粒子分析仪[19,20]以及D-T中子谱学[21,22]。对于边缘等离子体，可见光光谱学是一种典型且实用的方法，可用于测量氢-氘（H-D）比例，并已在JET[14,15,23]和EAST[24]等装置中得到应用。该方法通过分析等离子体边缘的巴尔末线辐射的相对强度来确定同位素浓度，具有高时间分辨率和原位被动测量的优势。

为了研究J-TEXT装置中的同位素效应，我们提出并开发了一种基于氢同位素巴尔末-α线辐射的高分辨率光谱诊断系统，称为EHIR（Edge Hydrogen Isotope Ratio）。该系统能够实现对J-TEXT装置边缘等离子体中H-D比例的准确原位测量。由于J-TEXT托卡马克装置目前尚不具备进行氚等离子体放电的能力，因此尚未通过EHIR测量边缘D-T同位素比例并进行光谱分析验证实验。未来我们将在其他能够进行氚等离子体放电的装置上继续开展这项工作。本文的结构如下：第2节详细介绍了EHIR在J-TEXT上的技术实现；第3节介绍了基于光谱数据的同位素比例分析模块；第4节讨论了该诊断系统获得的实验结果；第5节进行了总结。

章节片段

设计与实现

测量氢同位素的特征发射线（Hα为656.28 nm，Dα为656.10 nm，Tα为656.05 nm）是通过光谱学估计边缘氢同位素比例的基础。这三条线的波长非常接近，因此对光谱分辨率提出了很高的要求，具体来说，需要高光谱分辨率来区分相邻的光谱峰，以及高信噪比（SNR）来检测微弱信号，从而确保准确反演

理论模型

在磁约束聚变等离子体中，中性氢同位素会产生强烈的巴尔末-α线辐射。不同线条之间的相对强度（例如Hα/Dα/Tα）提供了有关同位素丰度的信息。测量垂直于磁场的辐射光谱形状，可以拟合洛伦兹三重线成分（π成分和两个σ成分），从而确定不同中性粒子种群的温度分布

实验结果

在J-TEXT装置中，氢是工作气体，而氘通常只在特定实验中注入，例如用于缓解扰动的氘碎裂颗粒注入（D-SPI）。因此，在D-SPI实验后的放电过程中，通过EHIR来评估H-D比例。在这些情况下，氢是唯一被主动注入的气体成分。氘仅来源于第一壁，在之前的D-SPI实验中氘粒子吸附在该壁上。

总结

我们为J-TEXT装置开发了一种光谱诊断系统（EHIR），用于估计边缘等离子体的氢同位素比例。该系统实现了0.0073 nm/像素的波长分辨率和5 ms的时间分辨率，能够清晰区分Hα和Dα线的光谱形状。我们开发了一个分析模块来估计H-D比例，该模块采用了考虑塞曼效应和多普勒展宽的多参数光谱拟合算法。

CRediT作者贡献声明

雷驰：撰写——初稿、可视化、验证、软件、资源、方法论、调查、正式分析、数据整理。杨周军：撰写——审阅与编辑、验证、项目管理、方法论、资金获取、正式分析、概念构思。程志峰：撰写——审阅与编辑、验证、资源、方法论、资金获取、正式分析、概念构思。王能超：撰写——审阅与编辑、验证、资源