通过EUV光谱检测融合等离子体中的杂质

世界各地的研究人员正在研究融合作为潜在的能源来源。融合被认为比今天的核裂变发电厂更安全，因为它只能在非常有限和控制的情况下发生。但是，融合非常仍然在研究阶段。

日本国家聚变科学研究所(National Institute for Fusion Science)的森田茂(Shigeru Morita)博士是一组参与磁约束等离子体研究的研究人员中的一员。盛田说，我们需要在很长一段时间内付出巨大努力才能实现聚变反应堆。但我相信核聚变是未来发电的最佳解决方案。

执行融合的一种方法是用磁铁限制，它使用磁场以等离子体的形式限制热熔燃料。研究人员希望了解磁狭窄的等离子体中的杂质传输，以便更好地控制融合等离子体中的杂质。杂质会导致辐射损失和影响燃料稀释，导致融合能量输出的降低。

聚变等离子体释放的大多数杂质需要在极紫外(EUV)波长范围(10至500埃或1至50 nm)进行光谱检测，这对检测构成了挑战。由于研究人员正在国家聚变科学研究所的大型螺旋装置(LHD)中研究磁约束等离子体中的杂质，他们还需要一个相对较大的探测区域，以观察LHD等离子体的1米径向轮廓。

图1所示。这张空间分辨的极紫外线图像是用背光CCD从极紫外光谱仪拍摄的。横轴(Z)和纵轴(X)分别表示LHD等离子体的垂直位置和波长。右边的插图显示的是光谱，摄于Z=#861像素处，下面的插图显示的是碳6 (CVI)的垂直轮廓(第二级:2x33 Å)，摄于X=#80-84像素处。

此前，研究人员使用了微通道板（MCP）与用于EUV光谱的光电二极管阵列，但该设置表现出大量的热噪声和空间分辨率差。为了使用CCD检测器，用于EUV光谱，需要传感器未涂层并相当大。由于这些原因，研究人员转向Andor Do420-BN CCD相机以满足这些要求。莫蒂塔博士说，“使用后照射的CCD效果非常好，展现了更少的热噪声，空间分辨率和高计数。”。'它显着改变了融合研究中进行的EUV光谱。'

ANDOR DO420-BN CCD摄像机中的传感器是反射涂层的反射涂层的反光。1024 x 255阵列，像素大小为26 x 26 um2，有效面积为26.6 x 6.6 mm。研究人员将该相机掺入EUV光谱仪系统中，该系统由入口狭缝，空间分辨率狭缝和金涂层凹入变化线间隔（VLS）光栅组成。CCD可以冷却至-70°C以降低热噪声，但研究人员通常在-20°C下操作，这提供了足够降低的热噪声。

They placed the CCD vertically at the focal plane of the spectrometer, so the vertical profile was recorded along the CCD’s long axis (z axis: 26.6 mm, 1024 pixels), and the spectrum was recorded along the CCD’s short axis (x axis: 6.6 mm, 255 pixels). They used the camera in full resolution image mode for the spectral resolution test and for the line identification. This mode delivers the best spectral resolution but requires a longer exposure time. For routine measurements of the impurities, they used the camera’s cropped mode function.

Morita博士说，使用Andor Do420-BN CCD摄像头CCD摄像头，可以观察到EUV范围内的LHD融合等离子体的杂质线排放径向剖面。“这是磁监禁融合研究中的第一次，即在EUV范围内观察到径向轮廓，具有如此良好的效果。

图2.在侧视图和顶视图中安装在LHD上的空间分辨EUV光谱仪的示意图。LHD的磁盘结构在左侧所示的r = 3.75m等离子体轴位置。

研究人员在一个大型螺旋装置(LHD)中使用空间分辨的极紫外光谱仪测量高温等离子体中碳、氖和铁杂质离子的径向分布。测量在60到400埃的波长范围内进行，揭示了以前不知道的关于等离子体杂质的信息。例如，他们发现电离能在0.3 - 1.0 keV之间的杂质离子位于等离子体的外层区域，而电离能小于或等于0.3 keV的杂质离子则位于遍过层。

重要的是，他们还发现，对于电离能小于或等于0.3 keV的杂质离子，电子温度约等于电离能，而电离能在0.3 - 1.0 keV之间的杂质离子，电子温度约为其电离能的一半。这可能是由于等离子体边缘和遍历层之间的横向输运差异造成的。结合这些信息和其他结果，研究者可以定性地解释杂质径向位置的差异

他们还仔细检查了CIV的峰值位置，它被确定为存在于遍历层最远边缘的离子。当边缘电子温度降低到阈值温度以下时，其位置在遍历层内移动，例如在阈值温度以上的温度范围内它根本没有变化。这说明LHD的边缘边界是由o点附近的开阔场层的起始点决定的，而不是x点。与CIV峰位的三维边缘输运代码相比，差异明显达8 mm，表明由于等离子体压力的存在，随机边缘磁场发生了改变。

图3.安装在LHD上的空间分辨的EUV光谱仪。垂直方向上的空间分辨率由间隔溶解的狭缝调节。通过移动CCD检测器，可以观察到60至400埃的波长范围。应当注意，在修改CCD的扫描系统之后，波长范围已被扩展至30至650埃。

研究论文

1)董春峰等，基于杂质线发射径向轮廓测量的LHD遍历层等离子体边缘边界的研究，等离子体物理学报，Vol.18 (2011)， 082511, doi: 10.16383 / j.i ssn . 0001 - 579.2008.01.001。
2)董春峰等，利用空间分辨EUV光谱仪研究LHD等离子体中杂质离子的径向位置，等离子体科学与技术，Vol.13, No.2(2011年4月)，pp.140, doi:10.1088/1009-0630/13/2/03。
3)董春峰等，空间分辨极紫外光谱法在大型螺旋装置中杂质发射剖面测量中的应用，仪器仪表学报，Vol. 31 (2010) 033107, doi: 10.3321 / j.i ssn: 0253 - 6249.2008.01.001。