【摘 要】
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利用高分辨率高通量光谱仪分析等离子体杂质离子辐射谱线的多普勒展宽和多普勒频移,计算杂质离子的温度与旋转速度,是托卡马克常规的光谱诊断方法之一,高精度的波长标定是准确测量等离子体参数,尤其是旋转速度的必要前提。本文主要围绕电荷交换复合光谱诊断(Charge e Xchange Recombination Spectroscopy,CXRS)系统的波长标定工作展开。波长标定是为了确定电荷耦合器件(Ch
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利用高分辨率高通量光谱仪分析等离子体杂质离子辐射谱线的多普勒展宽和多普勒频移,计算杂质离子的温度与旋转速度,是托卡马克常规的光谱诊断方法之一,高精度的波长标定是准确测量等离子体参数,尤其是旋转速度的必要前提。本文主要围绕电荷交换复合光谱诊断(Charge e Xchange Recombination Spectroscopy,CXRS)系统的波长标定工作展开。波长标定是为了确定电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)探测器上像素与波长的一一对应关系。传统的波长标定方法,使用气体放电灯、氖灯重复曝光,通过已知波长的特征谱线像素位置确定与波长的映射关系;或通过光栅参数并结合光栅衍射角度确定成像面上的中心波长。对于高色散的CXRS光谱仪而言,由于波段范围狭窄,特征谱线的稀少甚至缺失给标定带来了极大的挑战。本文以法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)标准具的多光束干涉原理为依据,设计并制造了适用于CXRS光谱仪的F-P标准具。经F-P标准具产生的类梳状光谱可以锁定一系列固定的峰值,获得极宽波长范围内的连续波长参考点。理论上峰值点对应的波长与F-P标准具的参数紧密相关,但实际波长受调节和装配影响,存在一定的不确定性。本文通过参数化F-P干涉特征,利用数条已知波长的特征谱线,提出了一种更加精确的迭代标定方法。实验结果表明,通过这种迭代的计算方法得到的波长精度保持在0.005nm以内,这相当于目前安装在EAST上CXRS诊断的环向旋转速度测量精度为2.3km/s。以O V(650.024nm,n=4→3)谱线为例,与仅使用标准灯的标定结果相比,氧离子环向旋转速度的最大差异为3.8km/s,对应的绝对旋转速度约为25km/s。该标定误差远低于EAST实验诊断数据的精度要求。为了保证诊断结果可靠且准确,必须在等离子体放电实验之前完成诊断系统的离线标定工作,包括空间位置标定和绝对强度标定。EAST装置采用激光跟踪仪定位,测得观测视线以及与中性束相交区域的观测位置在托卡马克中的三维空间坐标,使用积分球光源测量得到CCD计数值与等离子体辐照度的对应关系。将CXRS诊断系统计算得到的离子温度和环向旋转速度与弯晶谱仪诊断测得的相应参数进行比对,两种测量结果吻合一致,验证了标定方法的准确性和合理性。最后,进一步探索了计算杂质浓度剖面的研究方法。
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