CN111933309B - 一种应用于磁约束聚变堆装置上的杂质浓度测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于聚变堆运行杂质密度/浓度监测技术领域，具体涉及一种应用于磁约束聚变堆装置上的杂质浓度测量方法，包括如下步骤：步骤一：磁约束聚变装置上中性束系统注入氢或其同位素到等离子体中，产生中性束发射谱和激发态的类氢离子，继而辐射电荷交换复合光谱；步骤二：通过电荷交换复合光谱诊断系统分别测出相应光谱及相应光谱邻近波长的轫致辐射,并用轫致辐射标定电荷交换复合光谱系统；步骤三：将杂质辐射的电荷交换复合光谱与中性束发射谱进行比值，获得杂质浓度R。本发明通过同步测量电荷交换复合光谱、中性束发射谱以及两者邻近波长的轫致辐射，实现光路被污染过程中系统的标定与获取杂质浓度。

Description

一种应用于磁约束聚变堆装置上的杂质浓度测量方法
技术领域
本发明属于聚变堆运行杂质密度/浓度监测技术领域，具体涉及一种应用于磁约束聚变堆装置上的杂质浓度测量方法。
背景技术
磁约束聚变装置上，杂质密度(浓度)监测对聚变堆运行意义重大。目前国际上，测量杂质密度(浓度)的方法主要是通过测量杂质光谱的线辐射强度，并进行绝对强度标定，进而得到杂质密度(浓度)；这种方法的重点和难点在于精确的绝对辐射强度标定和中性束衰减计算。另外，在利用紫外光谱测量杂质的过程中，分支比是采用的比较多的办法。但是这种分支比的办法也需要在可见谱段对系统的光谱响应度进行绝对强度标定。同时，目前现有方法还存在其它困难:磁约束聚变装置中复杂的环境，比如中子辐射、高能射线以及等离子体等，都可能破坏和污染测量系统，使得测量系统中光路的反射镜的反射率和透镜的透过率随时间降低，因此必须进行在线、实时的系统标定。此外，这些方法的空间分辨也非常差。
因此，需要设计一种应用于磁约束聚变堆装置上的杂质浓度测量方法，可代替复杂的绝对强度标定，并且具有更高的空间分辨。
发明内容
本发明的目的是设计一种应用于磁约束聚变堆装置上的杂质浓度测量方法，通过同步测量电荷交换复合光谱，又称杂质光谱、中性束发射谱以及两者波长附近的轫致辐射，并应用轫致辐射的强度比对系统进行标定，以解决磁约束聚变装置在光路被污染的条件下杂质离子浓度的准确测量问题。
本发明的技术方案：
一种应用于磁约束聚变堆装置上的杂质浓度测量方法，包括如下步骤：
步骤一：磁约束装置上中性束系统向等离子体注入氢或其同位素，产生激发态的类氢离子和中性束发射谱；
步骤二：通过电荷交换复合光谱诊断系统分别测出相应光谱及相应光谱邻近波长的轫致辐射,并用轫致辐射标定电荷交换复合光谱系统；
所述相应光谱包括：电荷交换复合光谱(又称杂质光谱)、中性束发射谱；所述相应光谱邻近波长的轫致辐射包括：电荷交换复合光谱邻近波长的轫致辐射和中性束发射谱邻近波长的轫致辐射，并在电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)相机上分别读出；
步骤三：使用电荷交换复合光谱邻近波长的轫致辐射和中性束发射谱邻近波长的轫致辐射对电荷交换复合光谱诊断系统进行标定，将电荷交换复合光谱与中性束发射谱进行比值，获得杂质浓度R。
所述步骤一中还包括：中性束注入的氢或其同位素粒子与完全电离的杂质离子发生电荷交换复合反应，得到类氢离子继而得到电荷交换复合光谱；同时，中性束注入的氢或其同位素粒子还因为激发与退激发向外辐射光子，得到中性束发射谱；
类氢离子在退激发时会向外辐射的光子，称之为电荷交换复合光谱，通过电荷交换复合光谱计算公式(1)，得到电荷交换复合光谱，又称杂质光谱I杂质；
Figure BDA0002598731520000021
其中，C杂质是电荷交换复合光谱系统测量相应光谱的绝对标定系数、n杂质是杂质密度、n中性束为中性束密度，q电荷交换是杂质电荷交换发射系数；
步骤一中所述中性束发射谱的计算如公式(2)所示：
Figure BDA0002598731520000031
其中，C中性束是电荷交换复合光谱系统测量中性束发射谱的绝对标定系数、n电子是电子密度、n中性束为中性束密度，q中性束是中性束发射谱的发射系数。
所述电荷交换复合光谱诊断系统由来源于聚变堆装置中等离子体发射的轫致辐射来标定。
步骤三中所述杂质浓度R的计算，如下公式(3)所示：
Figure BDA0002598731520000032
其中，标定系数的比值
Figure BDA0002598731520000033
通过杂质光谱邻近波长的轫致辐射和中性束发射谱邻近波长的轫致辐射计数比值得到，即采用二者附近轫致辐射光谱强度进行标定。
所述步骤三公式(3)中的
Figure BDA0002598731520000034
比值通过电荷交换复合光谱(杂质光谱)和中性束发射谱计数比值得出；
Figure BDA0002598731520000035
通过现有的原子分子反应截面数据库得出。
所述步骤三中还包括：杂质粒子浓度(密度)由电荷交换复合光谱与中性束发射谱进行比值后得到，杂质光谱与杂质光谱邻近波长的轫致辐射之间波长差小，同理，中性束发射谱与中性束发射谱邻近波长的轫致辐射间波长差也小，因此两者在通过光路时衰减的差异可忽略；
因此，杂质的电荷交换复合后的光谱、中性束发射谱的相对标定完全可以利用相应谱段轫致辐射强度来完成，同时电荷交换复合光谱(杂质光谱)、中性束发射谱附近的轫致辐射是在实验过程中同步被测量。
本发明的有益效果：
本发明通过相对强度标定代替复杂的绝对强度标定得到杂质浓度，绝对强度标定一般操作困难且精度较差。本发明测量方法采用一套光路同步测量多波段辐射信息系统差异被消除，克服了第一镜和光路在聚变堆环境下被辐射、等离子体等污染后依然能实现杂质浓度的绝对测量。
本发明通过同步测量电荷交换复合光谱(杂质光谱)、中性束发射谱以及两者波长邻近波长的轫致辐射，省去了中性束衰减的计算；使用轫致辐射对系统进行标定，解决了现有技术中无法进行在线、绝对标定的困难，实现光路被污染过程中系统的标定与获取杂质浓度。
另外本发明硬件部分通过电荷交换复合光谱诊断，电荷交换复合光谱诊断是以中性束为探针，因此具备很好的空间分辨，可以得到高的空间分辨。
附图说明
图1为本发明中所述电荷交换复合光谱邻近波长的轫致辐射及电荷交换复合光谱(杂质光谱)图；
图2为本发明中所述中性束发射谱邻近波长的轫致辐射及中性束发射谱示意图；
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明进行进一步的介绍：
如图1-2所示，本发明设计的一种应用于磁约束聚变堆装置上的杂质浓度测量方法，基于电荷交换复合光谱诊断所测量的电荷交换复合光谱、中性束发射谱以及两者邻近波长的轫致辐射；系统的标定光源来自于聚变堆装置中等离子体发射的轫致辐射；杂质浓度由相应轫致辐射的强度比值、电荷交换复合光谱强度、中性束发射谱强度以及相关的原子离子反应截面数据决定；
另外，本发明利用聚变堆等离子体本身的电荷交换复合光谱(又称杂质辐射)和中性束发射谱邻近波长的轫致辐射，根据两个谱段的轫致辐射强度比值对电荷交换复合光谱诊断系统进行相对强度标定；采用相对标定的方法获得杂质的浓度。
本发明设计的具体测量方法包括如下步骤：
步骤一：磁约束装置上中性束系统向等离子体注入氢或其同位素，产生激发态的类氢离子和中性束发射谱；
中性束注入的氢或其同位素粒子与完全电离的杂质离子发生电荷交换复合反应，得到电荷交换复合光谱(又称杂质光谱)；同时，中性束注入的氢或其同位素粒子还被等离子体激发后退激发向外辐射光子，得到中性束发射谱；
其中，本实施例中提到氢的同位素粒子为氕、氘或氚粒子；所述完全电离的杂质在本实施例中可为碳、氦、氮、氧、铍、硼、氖、氩等离子。
类氢离子在退激发时会向外辐射的光子，称之为电荷交换复合光谱，通过电荷交换复合光谱计算公式(1)，得到电荷交换复合光谱强度I杂质；
Figure BDA0002598731520000051
其中，C杂质是电荷交换复合光谱系统测量杂质光谱的绝对标定系数、n杂质是杂质密度、n中性束为中性束密度，q电荷交换是杂质电荷交换发射系数；
所述中性束发射谱的计算如公式(2)所示：
Figure BDA0002598731520000052
其中，C中性束是电荷交换复合光谱系统测量中性束发射谱的绝对标定系数、n电子是电子密度、n中性束为中性束密度，q中性束是中性束发射谱的发射系数。
需要说明的是，原有技术获得杂质密度需要对系统参数C杂质进行绝对标定、计算中性束在等离子体中的衰减n中性束等，进而求得杂质密度n杂质。但是绝对标定系数C杂质的标定与中性束密度n中性束的计算误差很大，易导致计算杂质密度n杂质不准确。
本发明提出的方法利用电荷交换复合光谱公式(1)、中性束发射谱公式(2)和两者波长附近的轫致辐射对系统进行标定可以非常好解决以上问题。
步骤二：通过电荷交换复合光谱诊断系统分别测出电荷交换复合光谱、中性束发射谱、杂质光谱邻近波长的轫致辐射和中性束发射谱邻近波长的轫致辐射，并在电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)相机上分别读出；
所述电荷交换复合光谱诊断系统由来源于聚变堆装置中等离子体发射的轫致辐射来标定。
步骤三：将电荷交换复合光谱与中性束发射谱进行比值，获得杂质浓度R，杂质浓度R的计算，如下公式(3)所示：
Figure BDA0002598731520000061
其中，标定系数的比值
Figure BDA0002598731520000062
通过电荷交换复合光谱邻近波长的轫致辐射和中性束发射谱邻近波长的轫致辐射计数比值得到，即采用二者附近波长的轫致辐射光谱强度进行标定。公式(3)中的
Figure BDA0002598731520000071
比值通过电荷交换复合光谱(杂质光谱)和中性束发射谱计数比值得出；
Figure BDA0002598731520000072
通过现有的原子分子反应截面数据库得出。
另外，杂质粒子密度与中性束发射谱进行比值后得到，电荷交换复合光谱与杂质光谱邻近波长的轫致辐射之间波长差小，同理，中性束发射谱与中性束发射谱邻近波长的轫致辐射间波长差也小，因此两者在通过光路时衰减的差异可忽略；
因此，杂质辐射的电荷交换复合反应后的光谱、中性束发射谱的相对标定完全可以利用相应谱段轫致辐射强度来完成，同时电荷交换复合光谱、中性束发射谱附近的轫致辐射是在实验过程中同步被测量。
本发明通过同步测量杂质的电荷交换复合光谱、中性束发射谱以及两者邻近波长的轫致辐射，省去了中性束衰减的计算；使用轫致辐射对系统进行标定，解决了过去无法进行在线、绝对标定的困难，实现光路被污染过程中系统的标定与获取杂质浓度，可以实时对测量系统进行标定，克服光路被污染等不利测量的因素，具有很大的发展潜力。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (7)

1.一种应用于磁约束聚变堆装置上的杂质浓度测量方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：磁约束聚变装置上中性束系统注入氢或其同位素粒子到等离子体中，产生中性束发射谱和激发态的类氢离子，继而发射电荷交换复合光谱；
步骤二：通过电荷交换复合光谱系统分别测出相应光谱及相应光谱邻近波长的轫致辐射,并用轫致辐射标定电荷交换复合光谱系统；
所述相应光谱包括：电荷交换复合光谱、中性束发射谱；所述相应光谱邻近波长的轫致辐射包括：电荷交换复合光谱邻近波长的轫致辐射和中性束发射谱邻近波长的轫致辐射，并在电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体相机上分别读出；
步骤三：使用电荷交换复合光谱邻近波长的轫致辐射和中性束发射谱邻近波长的轫致辐射对电荷交换复合光谱系统进行标定，将电荷交换复合光谱与中性束发射谱进行比值，获得杂质浓度R。
2.如权利要求1所述的一种应用于磁约束聚变堆装置上的杂质浓度测量方法，其特征在于，所述步骤一中还包括：中性束注入的氢或其同位素粒子与完全电离的杂质离子发生电荷交换复合反应，得到电荷交换复合光谱；
同时，中性束注入的氢或其同位素粒子因为与等离子体相互作用而发生激发与退激发向外辐射光子，得到中性束发射谱；
类氢离子在退激发时会向外辐射的光子，称之为电荷交换复合光谱，通过电荷交换复合光谱公式(1)，得到电荷交换复合光谱I杂质；
Figure FDA0003642788310000021
其中，C杂质是电荷交换复合光谱系统测量杂质光谱的绝对标定系数、n杂质是杂质密度、n中性束为中性束密度，q电荷交换是杂质电荷交换发射系数，dl表示沿视线积分。
3.如权利要求2所述的一种应用于磁约束聚变堆装置上的杂质浓度测量方法，其特征在于：步骤一中所述中性束发射谱的计算如公式(2)所示：
Figure FDA0003642788310000022
其中，C中性束是电荷交换复合光谱系统测量中性束发射谱的绝对标定系数、n电子是电子密度、n中性束为中性束密度，q中性束是中性束发射谱的发射系数，dl表示沿视线积分。
4.如权利要求3所述的一种应用于磁约束聚变堆装置上的杂质浓度测量方法，其特征在于：所述电荷交换复合光谱系统由来源于聚变堆装置中等离子体发射的轫致辐射来标定。
5.如权利要求4所述的一种应用于磁约束聚变堆装置上的杂质浓度测量方法，其特征在于：步骤三中所述杂质浓度R的计算，如公式(3)所示：
Figure FDA0003642788310000031
其中，标定系数的比值
Figure FDA0003642788310000032
通过杂质光谱邻近波长的轫致辐射和中性束发射谱邻近波长的轫致辐射计数比值得到，即采用二者附近轫致辐射光谱强度进行标定。
6.如权利要求5所述的一种应用于磁约束聚变堆装置上的杂质浓度测量方法，其特征在于：所述步骤三公式(3)中的
Figure FDA0003642788310000033
比值通过电荷交换复合光谱和中性束发射谱计数比值得出；
Figure FDA0003642788310000034
通过现有的原子分子反应截面数据库得出。
7.如权利要求6所述的一种应用于磁约束聚变堆装置上的杂质浓度测量方法，其特征在于：所述步骤三中还包括：电荷交换复合光谱与中性束发射谱进行比值后得到，电荷交换复合光谱与电荷交换复合光谱邻近波长的轫致辐射之间波长差小，同理，中性束发射谱与中性束发射谱邻近波长的轫致辐射间波长差也小，因此两者在通过光路时衰减的差异可忽略；
因此，杂质的电荷交换复合后的光谱、中性束发射谱的相对标定完全可以利用相应谱段轫致辐射强度来完成，同时电荷交换复合光谱、中性束发射谱附近的轫致辐射是在实验过程中同步被测量。
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