EAST快速极紫外光谱仪绝对强度的原位标定

磁约束等离子体中杂质(特别是高Z杂质)的存在将大大增强等离子体辐射功率损失，破坏等离子体的约束性能。杂质行为的定量研究首先要求对杂质测量的光谱诊断系统进行绝对强度标定，获得灵敏度响应曲线。介绍了EAST托卡马克上的快速极紫外光谱仪系统绝对强度的原位标定方法。在波长范围20～150Å内，通过对比极紫外(EUV)波段连续轫致辐射强度的计算值和测量值得到光谱仪的绝对强度标定。在此过程中，首先由(523±1) nm范围内可见连续轫致辐射强度的绝对测量值计算出有效电荷数Z_eff，进而结合电子温度和密度分布计算EUV波段连续轫致辐射强度；EUV波段连续轫致辐射强度的测量值即为不同波长处探测器的连续本底计数扣除背景噪声计数值。对于较长波段范围130～280Å，通过对比等离子体中类锂杂质离子(Fe23+，Cr21+，Ar15+)和类钠杂质离子(Mo31+，Fe15+)发出的共振谱线对(跃迁分别为1s22s 2S_1/2-1s22p 2P_{1/2, 3/2}及2p63s 2S_1/2-2p63p 2P_{1/2, 3/2})强度比的理论和实验值进行相对强度标定。其中共振谱线对强度比的理论值由辐射碰撞模型计算得到，模型中处在各个能级的离子数主要由电子碰撞激发，去激发以及辐射衰变三个过程决定。两种方法相结合，实现了光谱仪20～280Å范围的绝对强度标定。考虑轫致辐射、电子温度及电子密度的测量误差，绝对标定误差约为30%。在绝对标定的基础上，我们对杂质特征谱线强度进行绝对测量，并将测量结果与杂质输运程序结合ADAS(Atomic Data and Analysis Structure)原子数据库计算得到的模拟值进行比较，进而估算等离子体中的杂质浓度。     

EAST等离子体Mo Ⅴ-Mo ⅩⅧ极紫外光谱的识别

磁约束聚变等离子体中高Z杂质的存在给等离子体的约束状态带来不同程度的影响.EAST装置第一壁是钼瓦,不可避免地,等离子体与壁相互作用会使钼进入等离子体成为高Z杂质.本文利用EAST托卡马克装置快速极紫外杂质谱仪系统实现了对5—500?(1?=0.1 nm)波段范围内杂质线光谱进行同时监测.结合EAST等离子体低、中Z杂质的特征谱线对波长进行原位标定,基于NIST数据库和已有实验数据进行对比,并利用归一化谱线强度随时间演化行为,对较低电子温度(T_e0=1.5 keV)等离子体中5—485?波段范围内由瞬态钼杂质溅射产生的钼光谱进行了系统性识别.在15—30?和65—95?波段范围观测到分别由电离态Mo¹⁹⁺-Mo²⁴⁺(MoⅩⅩ-MoⅩⅩⅤ),Mo¹⁶⁺-Mo²⁹⁺(MoⅩⅦ-MoⅩⅩⅩ)组成的未分辨跃迁系.而且在EAST上观测并识别出27—60?和120—485?波段范围内低价钼离子(Mo⁴⁺-Mo¹⁷⁺)的多条谱线(MoⅤ-MoⅩⅧ...     

极紫外波段Ar光谱分析在EAST偏滤器杂质屏蔽效应研究中的应用

在托卡马克偏滤器区域充入杂质气体是检验偏滤器杂质屏蔽效应的重要手段。利用快速极紫外EUV光谱仪对EAST托克马克装置上开展的偏滤器Ar杂质注入实验进行观测。结合NIST原子光谱数据库对2～50 nm范围内不同电离态Ar的线光谱进行了谱线识别,识别出Ar Ⅳ,Ar Ⅸ-Ⅺ,Ar ⅩⅣ-ⅩⅥ等若干个电离态的谱线。为了同时观测等离子体不同区域的Ar杂质行为,在杂质注入实验时重点监测Ar ⅩⅥ35.39 nm(Ar ⅩⅥ电离能918.4 eV,主要分布在等离子体芯部)和Ar Ⅳ44.22 nm(Ar Ⅳ电离能9.6 eV,主要分布在等离子体边界)这两条谱线。利用该两条谱线强度随时间演化的结果初步分析了偏滤器杂质屏蔽效应。在同一充气口不同等离子体位形下的实验结果表明偏滤器对于从偏滤器区域注入Ar杂质的屏蔽效果优于从主等离子体区域注入,并且下偏滤器及内冷泵的综合粒子排除能力优于上偏滤器。     

快速真空紫外光谱诊断在EAST实验的初步应用

为了在EAST装置上开展高参数放电条件下边界杂质辐射的实验研究,发展了真空紫外(VUV)光谱诊断系统。该系统采用了焦距为200mm的Seya-Namioka型VUV光谱仪,并配备了600g·mm^-1凹面全息光栅,所能观测的波长范围为50~700nm,覆盖真空紫外、近紫外和可见光波段。系统在垂直方向的观测范围为Z=-350~350mm。利用该系统开展了EAST边界杂质谱线的实验研究。通过分析CⅣ(154.8nm)杂质和FeⅡ(235nm)的谱线强度的时间演化行为,验证了该系统谱线强度测量的准确性与可靠性。通过分析CⅠ(365.2nm)杂质辐射强度在加热功率调制下的时间演化行为,验证了该系统研究较短时间尺度的杂质辐射行为的可行性。     

EAST极紫外空间分辨光谱分析软件的开发

基于Matlab软件的图形用户界面开发环境(GUIDE)设计开发了一套交互式界面，可以自动读取、解析原始数据，开展波长标定，将谱强度与谱仪系统空间测量位置以及EAST实验放电时间等信息相关联，从而快速、便捷地计算杂质离子发出的线光谱强度的空间分布并绘图。该空间分辨光谱分析软件的开发和应用大大提高了谱仪数据处理和分析的便捷性和效率，保证了放电期间数据处理的准实时性。     

EAST边界和芯部杂质谱线的时间延迟研究

边界杂质注入是未来聚变装置ITER用于增强边界辐射，减少第一壁热负荷的一种重要方法。但部分注入的杂质会被输运到芯部，造成主等离子体辐射损失以及约束下降。光谱观测可以获取杂质种类、含量和分布等信息，在理解等离子体中杂质输运方面起着重要作用。在EAST（experimental advanced superconducting tokamak）偏滤器氩气（Ar）注入实验中，利用偏滤器可见光谱和芯部极紫外光谱监测边界的Ar1+离子谱线Ar Ⅱ(401.36 nm)和芯部的Ar15+离子谱线Ar ⅩⅥ(35.39 nm)，并获得两者强度随时间的变化。其中，Ar Ⅱ和Ar ⅩⅥ的电离能分别为27和918 eV，因此，Ar Ⅱ和Ar ⅩⅥ分别对应分布于等离子体边界和芯部Ar离子。为了分析二者谱线强度随时间变化的特征，发展了一种基于正则Pearson积矩相关系数的相关分析方法，计算得到两者谱线强度变化的相对延迟时间，以此表征杂质从边界向芯部输运的时间。结果显示，偏滤器注入Ar杂质后，芯部Ar ⅩⅥ辐射增长滞后于边界Ar Ⅱ辐射的增长，并且在具有较高的低杂波加热功率的放电中，两者的延迟时间较长，表明较高的低杂波加热功率可以延长杂质从边界向芯部输运的时间。     

平面晶体谱仪弯曲谱线波长定标方法

为了满足激光等离子体X射线光谱测量的需要,提出了一种利用平面晶体谱仪记录得到的弯曲谱线来进行波长标定的新方法。传统的参考谱线法需要已知两条以上谱线的确切波长才能进行波长标定,而利用弯曲谱线可以在不知道任何谱线信息的情况下进行波长标定。通过对实验中所获得的铝等离子体Heα自发射谱线弯曲图像的分析,得到在目前所使用的谱仪条件下,该方法的波长定标精度可以达到2×10-4 nm。     

一种平场范围在30~50nm的平焦场光谱仪

 理论上计算了入射距离747.4 mm及不同入射角情况下，日立变栅距凹面光栅的平场范围，确定了平场范围在30~50nm的一组平场谱仪的新设计参数。在原入射距离的情况下，新研制的平场谱仪在入射狭缝前加了一个轮胎镜，使谱仪具有空间分辨能力，且提高了收集效率，。利用一种真空紫外光谱灯对He气放电的特征谱线对平场谱仪进行了标定。在入射狭缝为 0.1mm时，实验上测得30.38nm谱线的宽度约为0.04mm, 在30nm附近的分辨率为0.001，在消像散波长40nm附近，分辨率将优于0.001。最后，利用标定后的平场谱仪对毛细管放电不同气体等离子体辐射进行了初步的测谱实验。     

EAST上电荷交换复合光谱诊断波长标定研究

电荷交换复合光谱诊断(CXRS)是在核聚变装置上测量离子温度和旋转速度分布的常规诊断方式之一。通过测量等离子体中完全电离的碳离子(C6+)与高能中性氘之间发生电荷交换辐射出的碳谱线(C VI,529.059nm,n=8→7)的多普勒频移来计算C6+的速度,而准确测量的前提是波长的精确标定。介绍了东方超环托卡马克装置(EAST)上CXRS系统的离线波长标定和实时波长标定方法,详细分析了二者的优缺点,针对EAST等离子体及CXRS诊断现状提出了一套应用激光(波长为532.1nm)作为波长实时标定光源的方案,同时对该方法的有效性进行了仿真分析及实验验证。结果表明使用该方案和利用常用标准灯得到的标定结果一致。     

时空分辨平焦场光栅谱仪

 利用2 400 lp/mm或1 200 lp/mm的平焦场光栅谱仪、门控宽微带X光单分幅相机及可见光CCD记录系统建立了一套时空分辨平焦场谱仪X光谱诊断系统。介绍了该谱仪系统的结构、工作原理和实验调试方法。利用该谱仪在星光激光装置上进行了时间分辨铝等离子体发射谱线的实验测量，获得了清晰的时间分辨铝等离子体谱线。在神光Ⅱ装置上初步观测到了时空分辨铝样品吸收谱，谱分辨为0.02～0.05nm。     

基于Ar分支比方法的光谱强度响应效率标定研究

利用Nd∶YAG激光器输出的1 064 nm激光在大气压环境中产生了Ar等离子体,测量了Ar等离子体的发射光谱,从Ar等离子体发射光谱中筛选出了来自Ar Ⅰ和Ar Ⅱ 15个上能级的35条跃迁谱线,基于分支比方法计算了光谱仪的辐射强度响应效率标定系数。此外,利用氘灯和卤钨灯标准光源,对光谱仪辐射强度响应效率进行了标定,得到了针对不同光栅的光谱仪的辐射效率标定系数。用分支比方法获得的辐射强度响应效率标定系数与标准光源得到辐射强度响应效率标定系数具有较好的一致性,其最大相对误差为5.4%。该研究的标定方法可以为一些大型聚变装置的光谱测量的在线标定提供借鉴和参考。     

Spectroscopic slope temperature measurements using a noncalibrated tungsten lamp as a reference light source

The spectroscopic slope method for temperature measurements requires the calibration of the spectrometer spectral response, unless the spectral lines or band components all occur in such a small wavelength interval that the response is constant. A calibrated tungsten lamp is generally used when a spectral response calibration is required. Accurately calibrated tungsten lamps are relatively expensive and generally do not have long term stability. To circumvent this problem, a method has been developed for which noncalibrated tungsten lamps may be used as reference light sources for calibrating the spectrometer wavelength response when the true tungsten filament temperature of the reference source is equal to the unknown source temperature. Then, a plot of the proper qualities vs the lower energy level of the spectral lines provides the source temperature. The absolute calibration of the tungsten lamp is not required.     

HL-2M 真空紫外光谱初始诊断系统研制

基于 Seya-Namioka 结构 200mm 焦距可换光栅,研制了 HL-2M 真空紫外(VUV)光谱诊断光谱仪。该 系统在 300~3000Å 的真空紫外光谱范围具有较高的探测效率,时间分辨优于 1µs。经过结构设计、光谱标定和安 装调试,单通道 VUV 光谱仪已成功安装在 HL-2M 装置中平面窗口。在 HL-2M 装置初始放电实验中,利用该系 统测量到 C、O、N 等杂质的多条特征谱线,展现出优秀的信噪比和高灵敏度。      

分立波长型近红外光谱分析仪定标模型的优化

对于滤光片型或者二极管阵列型等采用非连续扫描方式工作的近红外光谱仪来说 ,如何快速、准确地进行定标波长的优选一直是很关键的问题 ,传统近红外定标波长的优选采用向前或者向后逐步多元线性回归方法 ,依据回归结果所给出的各个波长的t检验值进行定标波长的筛选 ,但是在实际应用中 ,被筛选掉的波长也可能是非常有用的定标波长 ,而增加波长的定标所给出的定标标准差往往会减小 ,但预测精度则不一定会提高。文章将组合数学中的组合生成算法和面向矩阵运算的计算机语言相结合运用于近红外最优回归定标波长的计算机选取 ,可以在较短的时间内完成最优波长组合的选取 ,由于最优波长组合的选取是在优选定标波长数一定的前提下进行比较而且以经回归定标分析确定定标标准差最小原则 ,所以由此得到的定标方程是稳健的。     

大视场宽谱段高分辨率分波段机载紫外-可见光成像光谱仪设计

紫外-可见光(200～500 nm)成像光谱仪是空间遥感的重要组成部分,本文基于机载紫外-可见成像光谱仪的特殊性和实际应用要求,提出了一种采用面阵CCD的摆扫式成像光谱仪,这样既克服了传统线阵CCD摆扫式成像光谱仪空间分辨率低的缺点,同时又弥补了推扫式成像光谱仪视场范围有限的缺点,能够满足大视场、宽谱段、高分辨率成像光谱仪的应用要求;此外,考虑400～500 nm波段中200～250 nm波段二级光谱的影响和<290 nm的短波区和>310 nm的长波区两个波段相差3个数量级的辐射波动,采用了分波段、分系统的方式独立进行消杂光光谱成像。在系统结构设计方面,本着高性能、低成本的设计理念,选用了两镜同心系统作为望远系统,Czerny-Turner平面光栅结构作为成像光谱仪系统的光学设计方案;设计了一种不使用任何辅助光学元件,全部采用球面镜结构的成像光谱仪。整个系统结构简单、紧凑,性能优良, 可行性好。全谱段、全视场调制传递函数值在0.6以上。     

光谱成像仪快速光谱定标方法研究

光谱定标是确定光谱仪器各通道中心波长的过程,为了获取光谱辐亮度,通常需要对光谱仪器进行辐射定标,将光谱仪器输出的数值,映射为物理量——辐亮度。不同的光谱仪器的光谱响应不同,因此还需要在光谱定标过程中确定各个通道的光谱响应。光谱成像仪可以看成是多个光谱仪组成的,需要对所有点的中心波长和光谱响应进行定标。自第一台成像光谱仪诞生以来,其定标方法逐渐固定,通常需要采用光谱分辨率较光谱成像仪更高的单色仪输出准单色光进行光谱定标,其准单色光的光谱带宽远小于光谱成像仪的光谱响应带宽,可以将准单色光抽象为脉冲函数。根据脉冲函数的特性,改变准单色光的波长,扫描光谱成像仪的响应波长范围,是对光谱响应函数进行间隔采样的过程,通过光谱定标数据可以直接得到光谱成像仪的中心波长和光谱响应函数。随着技术的发展,探测器的灵敏度越来越高,光谱成像仪的分辨率也越来越高,为了完成光谱定标,对光谱定标需要的准单色光提出了更高的要求。然而准单色光的带宽越窄,其能量越低,获取满足信噪比要求的数据需要更长的时间,使定标的效率降低。从光谱定标的目的出发,结合准单色光和光谱成像仪光谱响应近似高斯函数的特点,通过理论分析,提出一种利用宽带定标光进行光谱定标的方法,可以有效减少光谱定标的步骤,提高定标的效率,适用于光谱成像仪的快速定标。该方法用于某星载高光谱成像仪的光谱定标,待标定光谱成像仪采用棱镜分光,具有色散非线性的特点,光谱分辨率在2~18 nm之间变化,同时存在较大的谱线弯曲,导致每个像元的中心波长都不同,需要对每个像元进行光谱定标。为了避免分视场定标导致的相邻视场中心波长不连续现象,将单色仪发出的准单色光的光斑照亮整个狭缝,狭缝和单色仪之间放置柱透镜和毛玻璃,其中柱透镜用于汇聚垂直于狭缝方向的光线,提高能量利用率;毛玻璃用于匀化光照,毛玻璃的存在极大地减弱了进入光谱成像仪的能量,结合提出的方法,增加定标光的带宽,提高能量,最终完成了该光谱成像仪的快速定标,利用汞灯的特征光谱验证该成像光谱仪的光谱定标精度为0.23 nm。     

PGP成像光谱仪的全视场自动化光谱定标方法

为了对PGP成像光谱仪所获得的光谱数据进行定量化分析,需对PGP成像光谱仪进行光谱定标,以获得各光谱通道的中心波长、光谱分辨率及成像光谱仪的光谱弯曲等光谱特性信息。采用单色准直光法设计了一套全视场自动化的光谱定标系统,系统中引入球面镜为待测的成像光谱仪光谱定标提供准直光,通过可自动控制的折转镜改变定标入射光线的入射角,以此实现待测成像光谱仪空间维不同视场的自动化光谱定标。运用该定标系统对PGP成像光谱仪进行光谱定标实验,得到该成像光谱仪的光谱性能参数,并结合定标系统的结构特点,对实验的结果进行了精度分析。实验分析结果表明该系统对PGP成像光谱仪的中心波长定标精度达到0.1 nm,光谱分辨率定标精度达到1.3%。该研究设计的全视场自动化光谱定标系统具有结构新颖紧凑、通用性较强、光谱定标精度较高等特点,且由于自动化的控制,避免了由于人为参与定标过程所带来的额外误差。该系统可用于实现PGP成像光谱仪及其他同类型成像光谱仪的光谱定标。