成像應用
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TOKAMAK光譜診斷與我們的產品
——從中子,X-ray到可見光,從穩態測量到超高速時間分辨測試
托卡馬克(Tokamak)是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環形容器,*初是由蘇聯庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在20世紀50年代發明的。托卡馬克的中央是一個環形的真空室,外面纏繞著線圈,在通電的時候會產生巨大的螺旋型磁場,將真空室中的等離子體加熱到很高的溫度,以達到發生核聚變反應所需的條件。
托卡馬克裝置中等離子體溫度可以達到幾千萬甚至上億攝氏度,從X射線到微波波段均有很強的輻射。聚變等離子體的輻射探測,特別是從X射線到可見光波段的發射光譜診斷,是發展比較早的診斷項目之一。從電子在躍遷前后的狀態來看,聚變等離子體發射的光譜可分類為:
自由態→自由態:軔致輻射、回旋輻射
束縛態→束縛態:線輻射
自由態→束縛態:復合輻射、雙電子輻射
其中軔致輻射、復合輻射和雙電子輻射是連續譜,回旋輻射和線輻射是線狀譜。復合輻射和雙電子輻射有時合稱復合輻射。等離子輻射的線狀譜線主要來自雜質離子。在小型裝置上,等離子體線輻射主要是低 Z 的輕雜質,而在大中型裝置上,線輻射則主要來自未完全電離的高 Z 金屬雜質離子。
在等離子體參數較低的小型托卡馬克裝置上,等離子體的輻射主要位于真空紫外和可見光波段。下圖為捷克一個小托卡馬克裝置 CASTOR 中的等離子體發射光譜,主要在真空紫外和可見光波段。其線狀譜主要是 O,N和 C 的雜質譜線。從等離子體發射光譜圖上可以較為容易地辨別等離子體中雜質的種類和電離狀態。以 C 為例,譜線上標志的光譜符號和相應的電離態的關系如下表所示:

而在大中型裝置上,等離子體輻射逐漸向短波移動,主要探測區域為紫外、真空紫外和 X 射線。在大中型裝置上,芯部區域的 C、N和 O等輕雜質離子的外層電子被完全剝離。而高Z金屬雜質離子由于電離能較高,并未完全電離,仍可以在較短波段(極紫外和X射線波段)觀測到其輻射的線狀譜線。不同區域的光譜行為和主要探測項目也有所不同。這些波段的范圍、分光方法、探測元件可見下圖:
國內的合肥,武漢,成都等地的科研單位也運行著多個托卡馬克裝置。坐落在合肥的中科院等離子體物理研究所的EAST裝置是目前國內*大的一個托卡馬克,其多項等離子體放電指標均處于世界先進水平。在國際上,由中美歐日韓印俄七方共同參與的超大型國際合作項目國際熱核實驗堆(ITER)計劃已經進入工程建造階段,目前進展順利。
我們的相關儀器設備在托卡馬克等離子體光譜診斷領域有著大量的應用,目前已經應用我們產品的的診斷系統包含:
² 電荷符合交換光譜(CXRS)診斷
² 湯姆遜(Thomson)散射
² 運動斯塔克(Stark)效應診斷
² 中性束注入主動光譜診斷
² 磁流體動力學(MHD)真空紫外成像診斷
² 用于測量邊界旋轉的邊界被動光譜診斷系統
我們可以用于托卡馬克等離子體光譜診斷的設備包括:
² 傳統CT式光譜儀—用于可見與NIR波段以及多道成像光譜
² >=1m長焦距高分辨光譜儀—用于高分辨與多道成像光譜
² 真空紫外光譜儀
² ICCD—用于時間分辨光譜與影像
² iSCMOS—快速讀出ICCD
² EMCCD—微弱信號探測增強型CCD
² High Speed ICCD—高速ICCD,讀出速度可以達到10000f/s以上,并且具備時間分辨能力
² MCP粒子探測器—可以用于真空粒子探測
² 基于中階梯的LIBS探測系統
² 傳統X-ray CCD探測器
² 單光子計數X-ray探測器
² 條紋相機—用于超快過程研究
² 高速相機—用于高速現象研究
用于測量邊界旋轉的邊界被動光譜診斷與獲得的多道光譜圖像(100道)
 
中性注入光譜診斷測量得到的可見光波段光譜
 
基于大面積PILUTUS探測器的X射線彎晶譜儀測量到的原始譜線圖像
不同的診斷可以測量不同的等離子體參數。按照診斷種類不同,我們有不同推薦使用的設備:
測量參數診斷系統名測量區域推薦設備
雜質離子溫度X射線彎晶譜儀
電荷符合交換光譜
邊界被動光譜診斷
芯部
邊界和芯部
邊界
 
 
EMCCD
>=1m長焦距高分辨光譜儀
主離子溫度中子診斷系統
電荷符合交換光譜
邊界被動光譜診斷
芯部
邊界和芯部
邊界
中子成像探測器
 
EMCCD
>=1m長焦距高分辨光譜儀
電子溫度湯姆遜散射診斷
電子回旋輻射診斷
X射線彎晶譜儀
邊界朗繆爾探針
邊界和芯部
芯部
芯部
刮削層區
iSCMOS / 超高速ICCD
電子密度HCN激光反射儀
湯姆遜散射診斷
二氧化碳散射
微波反射儀
邊界朗繆爾探針
邊界和芯部
邊界和芯部
 
邊界
邊界
 
像增強器 & ICCD & 光譜儀等
環向雜質旋轉速度X射線彎晶譜儀
電荷符合交換光譜
邊界被動光譜診斷
芯部
邊界和芯部
邊界
 
EMCCD
>=1m長焦距高分辨光譜儀
EMCCD
環向主離子旋轉速度X射線彎晶譜儀
電荷符合交換光譜
邊界磁探針
邊界
邊界和芯部
安全因子q=1詞磁面
PILATUS探測器
EMCCD
 
極向雜質旋轉速度邊界被動光譜診斷
電荷符合交換光譜
邊界
邊界和芯部
EMCCD
>=1m長焦距高分辨光譜儀
EMCCD
雜質密度邊界被動光譜診斷
電荷符合交換光譜
X射線彎晶譜儀
極紫外真空紫外譜儀
邊界  
邊界和芯部
芯部
芯部
EMCCD
>=1m長焦距高分辨光譜儀
EMCCD
真空紫外光譜儀系統
美國McPherson長焦距光譜儀

美國McPherson公司真空紫外光譜儀
 

英國Photek公司像增強器與MCP真空成像探測器
 

Dectris-PILATUS系列單光子X射線探測器

快速讀出ICCD與超高速讀出ICCD(搭配Phantom公司高速讀出探測器)

Andor公司傳統CT式光譜儀與EMCCD

基于Photonic Science公司中子成像ICCD拍攝到的中子成像實驗圖
CYCLOPS, A proposed high flux CCD neutron diffractometer, Physica B Condensed Matter 385:1052-1054 2005
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