利用sCMOS和EMCCD相机测量核聚变反应堆中的离子温度和氦密度

核聚变研究进入了一个新时代，这是世界上第一个证明基于核聚变过程的功率增加了10倍的反应堆。随着这个数十亿欧元的大型国际项目，对诊断工具的要求发生了相当大的变化:从离线研究热等离子体(> 1亿度)的物理参数，重点将更多地转向控制这种热等离子体:及时保持输出功率的温度恒定。需要对等离子体的温度、密度等参数进行实时测量和分析。其中一项诊断技术使用了一套三台Andor摄像机(两台DC152 QC-FI sCMOS摄像机和一台iXon3 DU888 DC-EX EMCCD摄像机)。在本说明中，我们将介绍在实验核聚变装置(德国的托卡马克ASDEX-UG)上进行的初步研究的背景、工作原理和所获得的结果。

图1:托卡马克聚变反应堆的原理。

最简单的聚变反应可能是氘氚反应，在这个反应中，两个原子核结合形成一个氦核和一个中子。由于这个反应需要高能量来克服库仑斥力，氘氚等离子体必须被加热到1亿度。这样的等离子体被所谓托卡马克的磁场所限制，见图1。一旦满足了产生可观聚变能量的条件(这在很大程度上取决于离子温度)，其中一个问题就是氦。由于这种反应产物是带电的，它将被限制在等离子体中(与中子相反)。如果密度太高，可能会阻塞聚变燃烧。这就提出了一个诊断挑战:是否有可能实时测量等离子体核心的氦密度，如果可能的话，还有离子温度(因为这决定了聚变产量)?

等离子体获得温度和密度的常用方法是利用激发原子或离子的线辐射的光学发射。这样一条线的谱宽受多普勒效应控制，因此提供了速度分布的测量，这有效地代表了温度。这条线的总强度与离子的密度成正比。然而，在聚变等离子体的热核中，所有的离子都被完全电离，不会发出线辐射，这使得被动光谱技术无法获得温度和密度。因此，在聚变反应堆中，只有冷边缘发出光，而中心是无法进行光谱研究的，见图2。

图2:ASDEX—UG托卡马克可见光发射图。这种辐射只来自等离子体的冷边缘。没有光从炽热的核心发射出来。

通过主动向热等离子体中注入中性氘原子，氦离子有一定概率从注入的原子中获得一个电子，从而能够在可见波长区域辐射线发射。对这种光进行光谱测量可以确定氦的密度(从强度)和离子温度(从这条线的宽度)。这种技术被称为电荷交换重组光谱，简称CXRS。

为了设计一个基于CXRS原理的系统，必须考虑几个要求:与边缘发射和轫致辐射的连续辐射相比，信号电平非常低。

因此，在与灵敏探测器相结合的情况下，需要一种具有高传输因子的高强度系统。此外，光谱分辨率应足以区分边缘图1:托卡马克聚变反应堆的原理(www.EFDA.org)。图2:ASDEX—UG托卡马克可见光发射图。这种辐射只来自等离子体的冷边缘。没有光从炽热的核心发射出来。(www.EFDA.org)。使用sCMOS和EMCCD相机发射和核心发射来测量核聚变反应堆热核中的离子温度和氦密度，并使其有可能以足够的精度确定宽度(因此离子温度)。这些测量的时间尺度是由等离子体的特性和其中的能量流决定的。对于目前的托卡马克和ITER试验反应堆，全剖面测量需要10毫秒的时间分辨率。最后，应该注意的是，发射的CXRS强度受注入中性束的密度和氦离子的密度的控制。 So a determination of the beam density is required to be able to extract the helium density from the measured spectra.

基于以上考虑，在ASDEX升级中设计并测试了一个CXRS系统，其特性如下(见图3):

• 一个光学系统，将从中性光束和视线的交叉点发出的光成像到一个由20根光纤组成的阵列。由于每根纤维从等离子体中成像不同的区域，因此可以记录完整的径向剖面。
• 这些纤维被引导到高强度光谱仪[1]。该仪器由三个独立的波长通道组成，可同时测量:氦(约468 nm)，碳(529 nm，提供对离子温度的独立测量)，以及中性束的多普勒位移直接发射，Dα - 656 nm)，结合高色散(0.01 nm/像素，像素尺寸6.5 μm)，足够的分辨率(0.2 nm)，高效率(55%)，并在高强度(1 mm2/sr)下扩展波长范围(14 nm)。
• 该光谱仪支持两台Andor Neo sCMOS摄像机DC152 QC-FI和一个波长带Andor iXon3 EMCCD摄像机DU888 DC-EX。这折中了EMCCD相机90%的高量子效率>和sCMOS相机更快的读取时间和大接收角(相机F/#=1.2)降低的收集效率。
• 在每个摄像机上有20根纤维被成像。通过对像素进行分组，每台相机在每次读数时得到20个光谱。相机的帧率可以达到500hz，但在大多数情况下，它被限制在100hz，以收集足够的强度。
• 该CXRS系统产生的典型光谱如图3所示。经过分析，得到了这些参数的分布和时间演化。这对于一些物理研究是至关重要的，比如(氦)离子在聚变反应堆内的运输。
• 光谱分析(即确定光谱外的温度和密度)目前仍是通过合适的拟合程序离线完成的。然而，为了能够在实时模式下使用它，研究人员探索了加快速度的可能性，并通过对摄像机的FPGA进行编程来部分实现这一点。

参考文献

1. Jaspers RJE, Scheffer M, Kappatou A, van der Valk NCJ, Durkut M, Snijders B, Marchuk O, Biel W, Pokol GI, Erdei G等。一种适用于ITER核心电荷交换重组光谱的高强度谱仪。科学仪器，83:10D515 (2012)