基于超快电荷复合交换光谱诊断的边界等离子体输运的实验研究

In pedestal physics research, electron temperature fluctuation is always used as a substitude for ion temperature fluctuation , because of the lack of high temporal resolution ion temperature fluctuation diagnostics. Diagnostics of electron temperature and ion temperature show great difference between them. Along with the great progress of spectroscopy and detector efficiency, it is possible to develop.the spectroscopy diagnostic for ion temperature fluctuation. In this project, the first set of Ultrafast Charge Exchange spectroscopy diagnostic system (Ultrafast CXRS) for EAST tokamak will be built to diagnose the ion temperature fluctuation and plasma rotation velocity fluctuation . The main parameters of this diagnostic system are : 6 channels, spacial resolution at the order of centimeters, and a.temporal resolution at the order of microseconds. The light intensity is the key parameter of this system. Parallel fibers, high through light efficiency spectroscopy and detector will be selected to get light intensity as big as possible. By this diagnostic, edge plasma physics, such as the pedestal and ELM physics, will be investigated.

等离子体离子温度的高时间分辨测量一直是等离子体诊断中的难点，对台基区物理等进行研究时，由于诊断手段的限制，常用的方法是用电子温度涨落代替离子温度涨落。对电子温度和离子温度的平衡量的测量显示了这两者之间的明显差距。近年来，随着光谱仪传光效率和探测器探测效率等的进步，采用光谱诊断的方法对离子温度进行高时间分辨率的测量成为了可能。本项目拟发展一套超快电荷复合交换光谱诊断系统，根据观测点径向位置的不同，共搭建6道，空间分辨率厘米量级，时间分辨率微秒量级，进行EAST装置离子温度和等离子体旋转速度的高时间分辨测量。信号强度是本项目的关键难点，项目组拟通过自主设计、研发并联光纤的收光系统、高通光量和传光效率光谱仪、高量子效率APD探测器系统和与之匹配的低温制冷低噪前放等一系列措施最大限度的增大通光量和探测效率。在此基础上，研究包括台基区形成过程和ELM先兆模等在内的边界输运物理。

在对台基区物理进行实验研究时，等离子体压强（离子温度、密度）的诊断是关键，目前国内尚无诊断系统能够对台基区的离子温度分布进行高时空分辨的测量。本项目拟在EAST装置上发展一套超快电荷复合交换光谱诊断（Ultrafast-CXRS），其时间分辨率拟达到微秒量级，进行EAST装置中离子温度和旋转速度的高时间分辨测量，在此基础上，研究边界等离子输运物理。项目组研制成功了国内首套托卡马克上的超快电荷交换复合光谱诊断系统，其时间分辨率优于4微秒，比传统的电荷交换复合光谱的时间分辨率高了超过3个数量级（5到10毫秒）；研制成功了大通光量光谱仪，有效通光量是市场上可以购买得到的同类商用光谱仪的40倍；实验观察到了H模放电中离子温度、旋转速度在ELM爆发、台基区压强梯度重建过程中的演化等关键数据，证明了离子温度在台基形成过程中的关键作用。这些重要成果和关键数据的取得，使得开展与离子温度密切相关的物理实验研究成为了可能，可以加深对于包括H模物理在内的一系列前沿学术问题的物理理解。