EAST弯晶谱仪诊断系统升级及测量数据分布反演研究

作     者：刘海晶 

作者单位：南华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：龚学余;吕波;尹相辉

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 082701[工学-核能科学与工程] 0827[工学-核科学与技术] 

主      题：EAST托卡马克 X射线弯晶谱仪 弦积分测量 等离子体参数反演 

摘      要：对于核聚变等离子体物理研究而言,等离子体旋转速度和等离子体温度是极其重要的参数,这些参数不仅能够反映装置的运行情况以及物理实验能力,而且对于理解和优化等离子体的约束具有重要作用。在目前的磁约束核聚变装置中,X射线弯晶谱仪(X-ray Crystal Spectrometers,XCS)是一种测量等离子体旋转速度和温度信息常用的手段。为获得更高时空分辨的XCS测量参数,提出了EAST弯晶谱仪诊断系统的升级方案。同时针对弯晶谱仪的弦积分测量的问题,基于三次样条插值函数,并考虑EAST等离子体磁面位型,对EAST装置上弯晶谱仪测量数据进行了反演研究。具体研究内容如下:诊断升级方面,在原有弯晶谱仪诊断系统的基础上进行了晶体系统、诊断布局以及探测器系统的升级。首先,将切向弯晶谱仪原有的双晶体替换为利于识谱的单晶体,便于开展在新一轮EAST实验中对新出现的杂质谱线识别的工作;对极向弯晶谱仪双晶系统进行了升级,利用类氦氩和类氖氙双晶体同时测量低温边界区域和高温芯部区域。其次,基于成像原理调整两套谱仪关键参数以提升谱仪空间分辨率和对等离子体旋转速度的测量能力。最后,将探测器升级为水冷型大面积像素化探测器,拓宽了谱仪的有效测量范围。并展示了升级后的XCS诊断系统在EAST装置上的初步实验结果。反演研究方面,探索了一种解决EAST弯晶谱仪弦积分测量问题而获得真实局域等离子体参数的反演方法。采用三次样条函数对弦积分测量值进行插值,改善了初始数据的质量;根据XCS几何布局和等离子体平衡反演程序EFIT(Equilibrium Fitting code)计算出路径积分中的长度矩阵和角度矩阵等重要参数,完善路径积分式;通过路径积分获得一组新的弦积分值;最后利用非线性最小二乘法拟合实际测量的剖面,获得真实的局域参数剖面。本文最后利用了假设还原法验证了反演方法的可行性,以及展示了不同放电条件下的弯晶谱仪测量数据反演结果,与其他相关诊断数据做比较,进一步验证了反演方法的准确性。通过本文中关于弯晶谱仪测量数据的反演方法的分析、设计及优化等工作能为弯晶谱仪测量数据的反演这一课题提供更多的理论和实验上的经验。