[发明专利]一种应用于磁约束聚变堆装置上的杂质浓度测量方法

说明书

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。

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；

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：