ITER等离子体诊断相关钨及邻近元素的中价态离子的原子结构理论和实验研究

Atomic data for tungsten ions, in basically all charge states, are needed for ITER diagnostics. Due to the very high radiative power of high Z elements tungsten will need to be controlled at the level of about 1 atom in 1E5 of the fusion fuel for the plasma to remain stable. Currently there is far from enough data available to reliably diagnose tungsten in different charge states in the different regions of a fusion plasma. For some charge states there is no data at all. In this project we propose to study, both experimentally and using calculational procedures, a number of charge states of tungsten where we believe good data can be obtained. We will study charge states below around W45+ and in two spectral regions; (a) the wavelength region of 200 - 400 ? which will be covered by the ITER divetor soft x ray spectrometer and (b) the visible region when ITER diagnostics can be carried out behind the protective wall. The experimental studies will be done using the two low energy Electron Beam Ion Traps (EBITs) available at the Shanghai EBIT laboratory. Spectrometers covering the two wavelength regions are available and working. The calculational work will be done using the GRASP and FAC codes. In the first instance the studies will focus on W13+, W25+, W26+ and W28+ where, due to the atomic structure of these ions, discrete spectral lines will be seen. Using the power of the EBIT, variable excitation energy and few elements in the plasma we will be able to uniquely identify spectral lines. In some cases will may need to conduct an iso-electronic study to check line identification. Such a study has already been done as part of our work on W27+. The final result of this project will be a set of recommended wavelengths for a number of charge states of tungsten to be used in fusion diagnostics. It will also suggest which of the calculational procedures is best suited for calculating other data for tungsten ions and other close by elements. It should be remembered that Rhenium and Osmium will be produced by nuclear processes in fusion plasmas and atomic data for these elements will be required too.

ITER的等离子体诊断需要钨元素各个价态的原子参数。但目前钨的不同价态的原子参数还远远不够,某些特定的价态甚至没有数据。我们将研究钨四十五价及以下价态的两个光谱波段。实验研究将在上海EBIT实验室两台低能电子束离子阱（EBIT）上完成。覆盖这两个波段的谱仪运行良好。计算工作将基于GRASP和FAC程序完成。初期实验将集中在原子结构较为简单的W13+、W25+、W26+和W28+等价态。灵活的能量设置和较为纯净的本底背景都将十分利于低能EBIT辨识谱线。必要时还将进行等电子序列的相关研究以增加谱线辨别的可靠性。我们已经完成了与此类似的W27+的研究。本课题的成果将会提供用于聚变等离子体诊断的钨不同价态的推荐波长值。同时也可为计算钨及其相邻元素的其他原子参数提供理论指导。值得一提的是，在聚变过程中聚变等离子体也会产生铼和锇，故而它们的数据也很重要。

本项目在这4年内的主要研究内容是可见光和软X射线光谱区域中高电荷态钨离子的光谱。我们在这个领域开创性的完成了许多工作，并在可见光谱区域发表了关于W11 +和W13 +的工作，首次测量并辨识了相关光谱。而在软x射线方面目前所得到的结论不是完全确定，还需要更多的工作来将相关成果应用到ITER诊断。 在W11 +工作方面，我们测量到了一条在电子束离子阱光谱中见过的最强线，而该条谱线极有可能是JET托卡马克中的一条未辨识的钨光谱线。本项目钨光谱相关的研究工作引出了许多新的研究领域，例如：测试原子结构计算中使用的当前可用的计算机程序，Grasp2K和FAC，使它们在计算中低价态钨光谱的原子能级更加准确。这些程序具有QED和Breit相互作用作为选项，但是人们对这些具体包含的物理意义还不是很清楚。对于QED，我们研究了相对论情况下的多电子QED效应。对于Breit相互作用，包含两个部分，频率无关部分通常被认为是理解。而对于频率相关部分，我们已经在类F和类Co等电子体系中研究了其高阶效应。我们还对比研究了磁诱导跃迁（MIT）和超精细诱导跃迁（HIT）。通常MIT比HIT更好理解，而本项目对类Be和类Ne样等电子序列的跃迁到3P0的研究可以帮助我们更好地理解HIT。通过本研究我们发现，在聚变等离子体建模中那些能产生MIT和HIT的亚稳态非常重要。在W26+的研究中，我们还提出了利用钨离子相关跃迁可以用来校准软X射线光谱仪的波长和相对强度的方案，目前该结果正在整理准备发表。它已经引起了包括合肥EAST和国际上ITER相关研究人员的关注。总而言之，本项目非常成功，并且今后还有更多工作要做。