论文部分内容阅读
偏滤器是高温等离子体与PFC材料直接接触的一个过度区域。偏滤器对杂质的屏蔽主要依赖于偏滤器内自然产生的流向偏滤器靶板的强大离子流。杂质由于受到该“背景”离子流所施加的摩擦力而被拖向偏滤器靶板，并用以克服主要来自于离子温度梯度引起的反向拉力。偏滤器最重要的作用在于把等离子与固体表面强烈相互作用的区域移置于远离主要约束等离子体的区域，即偏滤器之内。从而有效地降低靶板表面的热流，减少靶板材料的损伤，熔化等。偏滤器的主要功能可以概括为:有效地屏蔽来自器壁的杂质，减少杂质对中心等离子体的污染;排出来自等离子体的粒子流和热流;排出核聚变反应过程中的聚变产物（氦灰）。 从等离子体中心向外部排出的反应产物a粒子(He)的速度即氦灰清除率将决定了等离子体放电长度，所以对于任何一个聚变装置来说He的中性粒子清除率的研究都是一个重要的基本课题。就目前来说，依据质荷比来区分气体成分的普通商业质谱计是无法区分质量数异常接近的聚变产物(He)和原料气体(D2)（mHe=4.003，mD2=4.028），而昂贵的专业质谱计虽然可以区分，却又无法满足托卡马克强烈电磁干扰环境下工作，所以为了开展聚变产物氦灰的相关研究，亟待开发一种先进的偏滤器真空测量系统。 本论文介绍了一种利用潘宁放电获得低温等离子体，进而通过光学透镜组以及光电倍增管的结合来测量光强，最后通过绝对标定实现以D2工作气体下的He分压绝对测量的新型光学质谱计诊断系统。基于全新的测量原理，该诊断系统能够在托卡马克复杂的电磁环境中有效地定量测量偏滤器区域的He和D2分压。 基于潘宁放电的光学质谱计诊断系统的研发是本论文的重点工作。从2012底年开始该诊断系统的调研和方案设计，2013年EAST实验期间进行了系统相关的预研并基本确定了系统的设计方案，2014年初步完成了系统的设计与组装并安装到EAST下偏滤器位置进行原位测试。随后对系统在实验期间遇到的各种技术问题进行了仔细深入的分析、研判与并逐步解决，主要包括系统的PMT引入的白噪声、内部放大电路工艺的改进、电压放大电路的优化，潘宁真空规管的结构优化等等。在2015年的EAST等离子体物理实验中，该诊断成功的安装在EAST下偏滤器A窗口处并全程参与了EAST物理实验。目前该系统He的最小分辨率≤1×10-6Pa、D2最小分辨率约8×10-6Pa、时间分辨率5ms（管道响应时间约200ms）、He的放大电路增益1×108、D2的放大电路增益1×106、系统暗电流约10nA、信噪比约70dB，同时对He的有效测量范围为1×10-5to1×10-3Pa，对D2的有效测量范围为1×10-6to1×10-3Pa。He的最小可分辨浓度约0.5％，而目前其它装置的最小可分辨浓度＞1％。由于系统的增益是可调的，所以在必要时通过调节不同增益系数即可有效的拓展该诊断系统的运行区间。最后，同时也十分重要的是:该系统是基于通用的商业冷阴极真空规管的适当改造基础上的，而不是像其它装置是基于一种已经停产了数十年的结构特殊的Alcatel CF2P真空规管。 随后结合新开发的该诊断系统，初步研究了:D2在HT-7上的不同壁条件下滞留情况;研究了以D2作为工作气体对He的清除效果，并比较了以He作为工作气体时对D2的清除率;同时结合多道光谱以及弦积分密度信号等，分析了EAST目前的石墨下偏滤器的He压缩率。实验发现:在HT-7上钼壁的情况是以出气为主，所以滞留率小于10％(1018atom/s)，约束较差，主要是因为中心辐射较强;锂壁条件下滞留率约40-80％(1020-1021atom/s)，约束明显改善，辐射主要集中在边界;硼壁时装置滞留率维持在70-80％（1020atom/s），由于芯部辐射较强，所以约束再次变差;在He离子回旋清洗时，当把清洗功利性从6kW上升到12kW，对D2的清除率提高了35％，而氘离子回旋清洗对He的清除率变化却不明显;随后开展了He粒子的压缩率研究，研究发现EAST下偏滤器的He压缩率约为0.23。