TOKAMAK光(guāng)譜(pǔ)診斷與(yǔ)我們的(dí)產(chǎn)品

               ——從(cóng)中(zhōng)子，X-ray到可(kě)見光,從(cóng)穩態測量到(dào)超高(gāo)速時(shí)間分辨測試

托卡馬(mǎ)克（Tokamak）是一(yī)種利用(yòng)磁約束來(lái)實現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形(xíng)容(róng)器，初(chū)是由蘇聯庫爾恰(qià)托夫研究(jiū)所的阿齊(qí)莫(mò)維(wéi)齊(qí)等人在20世紀(jì)50年代(dài)發(fā)明的。托(tuō)卡(qiǎ)馬(mǎ)克的中(zhōng)央是一個(gè)環(huán)形(xíng)的(dí)真空室(shì)，外(wài)麵纏(chán)繞著(zhuó)綫圈，在(zài)通電(diàn)的(dí)時候(hòu)會產生巨大的(dí)螺旋型磁場，將真(zhēn)空(kōng)室(shì)中的(dí)等(děng)離子體加(jiā)熱到很高(gāo)的溫度，以達到(dào)發生核聚變反應所需的(dí)條(tiáo)件。

托卡馬(mǎ)克裝(zhuāng)置(zhì)中等(děng)離子(zǐ)體(tǐ)溫度(dù)可(kě)以達(dá)到幾千萬(wàn)甚至(zhì)上億攝(shè)氏度，從X射綫(xiàn)到微(wēi)波(bō)波段(duàn)均(jūn)有很強的輻(fú)射(shè)。聚(jù)變等(děng)離子體的輻(fú)射(shè)探(tàn)測，特別是從X射綫(xiàn)到(dào)可見光波(bō)段的(dí)發(fā)射(shè)光譜(pǔ)診斷，是發展比較(jiào)早的診斷項目之一(yī)。從(cóng)電子(zǐ)在(zài)躍遷(qiān)前後(hòu)的狀態來(lái)看(kàn)，聚變(biàn)等(děng)離(lí)子(zǐ)體發射的光譜可(kě)分(fēn)類為(wéi)：

自(zì)由態(tài)→自(zì)由態(tài)：軔(rèn)致(zhì)輻射(shè)，回(huí)旋(xuán)輻(fú)射

束縛(fù)態→束縛(fù)態：綫(xiàn)輻(fú)射

自(zì)由態→束縛(fù)態(tài)：復合輻(fú)射(shè)，雙電(diàn)子(zǐ)輻射

其(qí)中(zhōng)軔致輻射，復(fù)合輻(fú)射和(hé)雙(shuāng)電子(zǐ)輻射是連續譜(pǔ)，回旋輻(fú)射和綫(xiàn)輻(fú)射是綫(xiàn)狀(zhuàng)譜(pǔ)。復合(hé)輻(fú)射和(hé)雙(shuāng)電子輻射有時合(hé)稱復合(hé)輻射。等(děng)離子(zǐ)輻(fú)射的(dí)綫狀譜綫主要來(lái)自雜(zá)質(zhì)離子。在(zài)小(xiǎo)型(xíng)裝置(zhì)上，等離子體綫輻射(shè)主(zhǔ)要是低(dī) Z 的(dí)輕雜質，而在大中(zhōng)型裝(zhuāng)置上，綫(xiàn)輻(fú)射(shè)則(zé)主(zhǔ)要來(lái)自未(wèi)*電離(lí)的(dí)高 Z 金(jīn)屬雜質(zhì)離子。

在等離子體(tǐ)參(cān)數較(jiào)低的小型(xíng)托卡馬克裝(zhuāng)置上，等(děng)離子(zǐ)體(tǐ)的(dí)輻(fú)射(shè)主要(yào)位於(yú)真(zhēn)空(kōng)紫外和可(kě)見光(guāng)波段。下圖為捷克(kè)一(yī)個小托(tuō)卡馬克裝置(zhì) CASTOR 中的等(děng)離子(zǐ)體(tǐ)發射光(guāng)譜(pǔ)，主要在真(zhēn)空(kōng)紫(zǐ)外(wài)和(hé)可見(jiàn)光波段。其綫(xiàn)狀譜(pǔ)主(zhǔ)要(yào)是 O，N和 C 的雜(zá)質(zhì)譜(pǔ)綫。從等(děng)離子(zǐ)體(tǐ)發(fā)射光譜(pǔ)圖上可以較(jiào)為容(róng)易(yì)地辨別等離子(zǐ)體中(zhōng)雜(zá)質的種類(lèi)和(hé)電離狀(zhuàng)態。以(yǐ) C 為例，譜綫上標(biāo)誌的光(guāng)譜符(fú)號(hào)和(hé)相(xiāng)應(yīng)的電(diàn)離態(tài)的關(guān)係如下表(biǎo)所示：

而在(zài)大(dà)中(zhōng)型裝置上，等離子體輻射逐漸向短波移動，主要(yào)探測(cè)區(qū)域為紫(zǐ)外(wài)，真(zhēn)空紫外(wài)和 X 射(shè)綫。在大(dà)中型(xíng)裝(zhuāng)置(zhì)上，芯部區域的(dí) C，N和 O等(děng)輕雜質離子的(dí)外層電子(zǐ)被*剝(bāo)離。而高Z金(jīn)屬(shǔ)雜(zá)質(zhì)離子由(yóu)於電離能(néng)較高，並未*電(diàn)離，仍可以(yǐ)在(zài)較(jiào)短(duǎn)波(bō)段（紫外(wài)和X射綫(xiàn)波(bō)段(duàn)）觀測到其輻(fú)射(shè)的(dí)綫(xiàn)狀譜(pǔ)綫。不(bù)同區(qū)域(yù)的光譜行為(wéi)和(hé)主(zhǔ)要探測項目也(yě)有(yǒu)所不(bù)同(tóng)。這些波段(duàn)的(dí)範圍，分光(guāng)方(fāng)法，探測元件(jiàn)可見下(xià)圖(tú)：

國(guó)內的(dí)合肥，武(wǔ)漢(hàn)，成都等地的(dí)科研(yán)單位也(yě)運行著(zhuó)多個托(tuō)卡(qiǎ)馬克(kè)裝(zhuāng)置。坐落在合肥的(dí)中科院(yuàn)等(děng)離(lí)子體物理(lǐ)研(yán)究所的(dí)EAST裝(zhuāng)置是(shì)目前國內(nèi)大的一個托卡馬克(kè)，其(qí)多項(xiàng)等(děng)離子體(tǐ)放(fàng)電指(zhǐ)標(biāo)均(jūn)處(chǔ)於(yú)先(xiān)進(jìn)水(shuǐ)平。在(zài)上(shàng)，由(yóu)中(zhōng)美(měi)歐(ōu)日韓(hán)印(yìn)俄(é)七方共(gòng)同(tóng)參與的(dí)超大(dà)型合(hé)作(zuò)項目(mù)熱核(hé)實驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃(huá)已(yǐ)經(jīng)進(jìn)入工程(chéng)建(jiàn)造(zào)階段(duàn)，目前進(jìn)展(zhǎn)順利。

我們的(dí)相(xiāng)關(guān)儀(yí)器設(shè)備(bèi)在托卡(qiǎ)馬克等(děng)離子體光(guāng)譜診(zhěn)斷領域有著大量(liáng)的(dí)應(yīng)用(yòng)，目前(qián)已經應用(yòng)我們產品的的(dí)診斷係(xì)統(tǒng)包含(hán)：

• 電荷符(fú)合交(jiāo)換(huàn)光譜(pǔ)（CXRS）診斷
• 湯(tāng)姆遜（Thomson）散射(shè)
• 運(yùn)動(dòng)斯(sī)塔克(kè)（Stark）效應診斷(duàn)
• 中性(xìng)束注入主動(dòng)光(guāng)譜診(zhěn)斷
• 磁(cí)流體動(dòng)力(lì)學（MHD）真空紫(zǐ)外成(chéng)像診(zhěn)斷
• 用於測量邊(biān)界旋轉的(dí)邊界(jiè)被動光譜診(zhěn)斷(duàn)係統(tǒng)

我(wǒ)們可以(yǐ)用於托卡馬克等離(lí)子體(tǐ)光譜診斷的設(shè)備包(bāo)括(kuò)：

• 傳(chuán)統CT式(shì)光譜儀—用(yòng)於可見與NIR波段以及(jí)多(duō)道(dào)成像(xiàng)光(guāng)譜
• >=1m長焦(jiāo)距高(gāo)分辨(biàn)光譜儀—用(yòng)於高分(fēn)辨(biàn)與(yǔ)多道成像(xiàng)光譜(pǔ)
• 真空紫外(wài)光譜儀
• ICCD—用於(yú)時(shí)間分辨光譜與影(yǐng)像
• iSCMOS—快速(sù)讀(dú)出ICCD
• EMCCD—微(wēi)弱(ruò)信號探(tàn)測(cè)增強型(xíng)CCD
• High Speed ICCD—高(gāo)速ICCD，讀出(chū)速(sù)度(dù)可以達到(dào)10000f/s以上(shàng)，並(bìng)且具(jù)備時(shí)間分(fēn)辨能力(lì)
• MCP粒(lì)子探(tàn)測器—可以用(yòng)於(yú)真空粒子探(tàn)測(cè)
• 基於(yú)中階(jiē)梯(tī)的(dí)LIBS探(tàn)測(cè)係統
• 傳(chuán)統X-ray CCD探測器(qì)
• 單光子(zǐ)計(jì)數(shù)X-ray探測(cè)器(qì)
• 條(tiáo)紋(wén)相(xiāng)機(jī)—用於超快(kuài)過(guò)程研(yán)究
• 高速相(xiāng)機(jī)—用於(yú)高(gāo)速現象(xiàng)研(yán)究

用(yòng)於測(cè)量邊(biān)界旋轉(zhuǎn)的邊(biān)界被動光(guāng)譜診斷與獲得的(dí)多道(dào)光譜(pǔ)圖像（100道(dào)）

中性注(zhù)入(rù)光譜診(zhěn)斷測(cè)量(liáng)得(dé)到的可(kě)見(jiàn)光波(bō)段光(guāng)譜(pǔ)

基(jī)於(yú)大(dà)麵(miàn)積PILUTUS探測器的X射綫(xiàn)彎(wān)晶譜(pǔ)儀(yí)測量到的原始(shǐ)譜(pǔ)綫圖像

不同的診斷(duàn)可以(yǐ)測(cè)量不(bù)同(tóng)的等離(lí)子體(tǐ)參數。按(àn)照診斷種類(lèi)不同，我們有(yǒu)不同推薦使用的設(shè)備：

美國McPherson長焦(jiāo)距光譜儀

美(měi)國McPherson公司真空紫(zǐ)外光譜儀(yí)

英(yīng)國Photek公司像增強器與(yǔ)MCP真(zhēn)空(kōng)成像(xiàng)探測(cè)器

Dectris-PILATUS係列(liè)單光(guāng)子X射(shè)綫(xiàn)探測(cè)器

快(kuài)速讀(dú)出(chū)ICCD與超高速讀出ICCD（搭配(pèi)Phantom公(gōng)司(sī)高速讀出(chū)探(tàn)測器） 

Andor公(gōng)司傳統CT式光(guāng)譜(pǔ)儀與(yǔ)EMCCD

基於Photonic Science公司中子成(chéng)像ICCD拍(pāi)攝到的(dí)中子成像實驗(yàn)圖

CYCLOPS, A proposed high flux CCD neutron diffractometer, Physica B Condensed Matter 385:1052-1054 2005