EAST快速极紫外光谱仪波长的原位标定及其应用

引 言

磁约束装置中杂质的存在会稀释燃料粒子的密度， 尤其对于高Z杂质钨(Z=74)， 由于其高冷却率， 它的存在会造成等离子体大幅功率损失， 影响等离子体的约束状态。 因此磁约束装置中杂质行为的观测和研究对于稳态等离子体运行有很重要的意义。 被动光谱诊断是最常规的用于研究杂质行为的工具[1]， 而由于磁约束装置参数条件下几乎所有杂质在极紫外(extreme ultraviolet， EUV)波段均有较强的特征线辐射， 于是快速极紫外波段光谱仪[2-4]以及空间分辨极紫外光谱仪[5-9]很广泛地应用于磁约束聚变装置上。

为观测EAST等离子体中的低-高Z杂质， 2014年和2016年EAST上先后建成了两套具有较高时间分辨的极紫外波段光谱仪， 分别工作在长波段20～500 Å[10]以及短波段10～130 Å的波长范围， 以下简称为“EUV_Long”和“EUV_Short”谱仪。 利用这两套谱仪系统观测极紫外光谱， 计算杂质离子特征线辐射强度随时间的演化， 从而监测和研究等离子体中高Z杂质的行为。 对于高Z的钨元素来说， EUV光谱仪的同一观测路径会同时存在若干不同电离态及其激发态， 而具有相似电子壳层结构的相邻电离态离子会发出波长接近的谱线， 于是钨光谱常出现未分解跃迁系(tungsten unresolved transition array， W-UTA)， 其谱线构成非常复杂[11]， 准确识谱要求谱仪系统有精确的波长测量能力以及较高的谱分辨能力。 例如图1(a)给出了EUV_Long测得的钨和钼杂质同时存在时复杂EUV光谱的原始数据， 在EUV光谱仪波长标定前， 波长方向用像素点表示。 精确的原位波长标定对于钨、 钼等金属谱线的识别以及金属杂质离子在等离子体中的行为研究非常关键。 本工作利用EAST等离子体中杂质特征谱线结合谱仪系统的色散能力对两套快速极紫外谱仪的全波段进行了精确的原位波长标定。

图1 (a)钨、钼同时出现的全谱原始数据， (b)对应于(a)图波长标定后的全谱以及谱线识别

Fig.1 (a) Raw data of EUV spectrum with strong W-UTA and Mo lines, (b) wavelength distribution and line identification in the EUV spectrum in (a)

1 快速EUV谱仪系统

长波段及短波段两套谱仪均为掠入射平场谱仪， 核心部件为狭缝、 光栅以及探测器。 两套谱仪分别工作在20～500 Å(简称EUV_Long)和10～130 Å(简称EUV_Short)波段范围。 两台谱仪入射狭缝宽度均为100 μm， 均采用层状变间距凹面全息光栅实现平场成像， 光栅的衍射方程为mλ=δ0(sinα-sinβ), 其中m， λ， δ0， α和β分别为衍射阶数、 波长、 光栅中心刻槽间距、 入射角和衍射角。 图2(a)和(b)所示为这两套谱仪的光栅参数和光路设计。 谱仪配备高能段背感光电荷耦合探测器(charge coupled detector， CCD)作为探测器， CCD的像素点个数为1 024×255， 像素点大小为26 μm， CCD长边1024像素点用于波长分辨测量， 短边255像素进行全部纵向合并(full vertical binning， FVB)， 时间分辨可高达5 ms·帧-1。 如文献[12]中所述， 在这种设置下想要获得高谱分辨的光谱对CCD安装精度有很大的要求。 除此之外，EUV谱仪系统上安装有准直激光器用于空间标定， 安装有步进电机用来控制CCD在焦平面上移动实现观测波段上的波长扫描。 每套谱仪配备了一套分子泵机组， 将谱仪系统的真空度维持在10-5 Pa。

图2 光路设计

(a)： 长波段快速EUV谱仪； (b)： 短波段快速EUV谱仪

Fig.2 Optical layout of fast-response EUV spectrometer

(a)： EUV_Long； (b)： EUV_Short

图3 谱仪系统的线色散能力随波长的变化

(a)： 长波段快速EUV谱仪； (b)： 短波段快速EUV谱仪

Fig.3 Capability of linear dispersion of (a) EUV_Long (b) EUV_Short as function of wavelength

2 EUV谱仪的波长标定

根据谱仪光路设计和光栅、 CCD的参数， 焦平面上离水平x轴距离为Y(mm)的位置处一阶谱线波长为λ=δ0{sinα-sin[actan(Y/235)]}， 则对应CCD每个像素点上的波长间隔为dλ/dpixel=dλ/dY×0.026， 即谱仪系统的线色散能力。 我们分别得到两套谱仪系统每个像素点上的波长间隔随波长的变化， 如图3(a)和(b)所示。

EUV谱仪开始工作前， 利用步进电机控制程序将CCD的位置设置好。 图4所示为CCD位置标尺的照片， 图中短波段谱仪CCD位置设置在23 mm处。 如果需要改变CCD位置测量不同波段范围， 则在两炮放电的间隙移动CCD。 当CCD记录了全谱后， 识别出最强的特征谱线并记录其峰值所在像素点的位置， 结合图3中的每个像素点上的波长间隔随波长的变化关系， 计算出1 024个像素点上的波长值， 并保存成定标文件， 在后面的光谱分析中调用该文件进行谱线识别。 图1(a)就是EUV_Long在CCD位置为8 mm时测到的全谱原始数据， 图1(b)显示了波长标定后的全谱以及谱线识别的结果。

图4 CCD位置标识

Fig.4 Ruler for CCD position

表1 EAST中常见的特征线谱(来自NIST标准数据库)

Table 1 Emission lines usually appear in EAST plasma

图5 EUV_Long标定后谱线测量波长与标准波长的差值以及标准偏差

Fig.5 Differences between standard wavelength and observed value and theirstandard deviation for the emission lines measured by EUV_Long

表1列出了EAST等离子体中常见的特征谱线， 谱线波长以及跃迁能级等数据来自于NIST标准数据库， 其中一些较强的谱线被用作波长标定。 图5和图6分别显示了两套系统同一条谱线在采用不同特征谱线标定后测量波长λobs与标准波长λsta的差值Δλ， 以及标准偏差s=[∑(Δλ)2/N]1/2。 从图5可以看出， 对于EUV_Long谱仪， 波长标定后谱线波长的测量值与NIST标准数据库给出的波长差值Δλ很小(Δλ≤0.08 Å)。 从图6可以看出， 由于EUV_Short谱仪线色散率、 谱分辨率更高， 波长标定更准确， Δλ≤0.03 Å。 但是随着波长的增加， 波长差值均有增大的趋势， 分析认为是受谱仪系统线色散能力的影响。

图6 EUV_Short标定后谱线测量波长与标准波长的差值以及标准偏差

Fig.6 Differences between standard wavelength and observed value and their standard deviation for the emission lines measured by EUV_Short

2 原位波长标定的软件开发和应用

实验前， 将CCD移动到预设位置， 在CCD控制软件中预设好采集模式、 曝光时间、 数据读取速率等参数， CCD每帧的周期时间(tc)为曝光时间(te)与数据读取时间(tr)之和(tc=tr+te)。 CCD运行在FVB模式， 每帧周期时间tc为5 ms。 当本地电脑监听到EAST总控发来的下一炮炮号(ShotNum)以及预设放电长度(tdur)信息后， CCD软件将自动计算采集帧数Nfram=tdur/tc+N0， N0为多采集的帧数。 一炮放电所有帧数采集完成后数据将自动保存成以炮号命名的sif格式文件(ShotNum.sif)。 CCD的触发信号还被引出由EAST数据采集系统同步(与等离子体放电)采集。

从以上快速极紫外谱仪系统的工作流程可以看出， 除了CCD触发信号， 极紫外谱仪系统的数据属于本地电脑的自采集模式。 但是EAST放电中杂质行为的准实时信息对等离子体约束性能的准实时评价以及功率平衡的准实时分析尤为重要， 因此针对这两套快速极紫外谱仪系统基于MATLAB环境分别开发了准实时数据自动上传(至EAST数据服务器)软件以及全谱分析软件。 图7和图8所示为这两个软件的交互式界面(以EUV_Long为例)。

在谱仪数据自动上传软件中填入CCD位置以及用以标定的谱线所在的位置， 当软件监测到有炮号文件ShotNum.sif文件出现后， 检查本地是否存有相应的波长定标文件， 如果没有则计算一个新的波长定标文件。 从ShotNum.sif文件读出全谱数据， 将全谱数据、 波长定标数据以及与放电时间同步的谱仪采集时序写成MDSplus(model drive system plus)格式[13]的数据Spec(二维， Nfram×1 024)、 WavL(一维， 1×1024)以及Time(一维， 1×Nfram)上传至EAST数据服务器。 同时分别从EUV_Long和EUV_Short的谱测量中计算一些特征线辐射强度随时间的演化， 写成MDSplus格式的一维数据(1×Nfram)， 时间轴为Time， 上传至EAST数据服务器。

图7 谱仪数据实时上传软件界面(EUV_Long)

Fig.7 Interface of the software forEUV_Long data real-time upload

图8 光谱分析软件界面(EUV_Long)

Fig.8 Interface of the software forEUV_Long spectrum analysis

自开发的全谱分析软件主要用于查看和分析EUV全谱， 可以从数据服务器或者本地读取谱仪数据， 如果选择数据服务器则自动读入Spec， WavL和Time， 如果选择本地文件夹， 则读取sif格式文件， 需要填入波长标定信息。 画出某个时刻的全谱， 可以叠加比较不同时刻或不同炮号的放电中测得的全谱， 调用已经识别出的谱线数据库， 自动标识全谱中出现的达到阈值强度的线光谱。 该全谱分析软件至于EAST数据服务器供实验人员使用， 同时EAST实验人员还可以利用EAST主要的数据查看工具WebScope[14]、 ReviewPlus读取已经上传的谱线强度数据， 查看杂质特征谱线强度随时间的演化， 对比杂质行为与其他参数演化的相关性。

3 结 论

利用EAST等离子体中的类氢、 类氦、 类锂和类铍的低、 中Z杂质谱线结合谱仪系统的线色散能力对两套极紫外光谱仪进行了精确的原位波长标定。 同时开发了谱仪波长原位标定程序模块， 内嵌至EUV谱仪数据自动实时上传的交互式软件中； 开发了全谱分析的交互式软件， 结合EAST上主要的实时数据查看工具， 最终实现了EAST实验过程中快速EUV谱仪自采数据的准实时读取和查看。 这一工作提高了EUV谱仪数据读取的便捷性， 基本满足了EAST实验中准实时杂质行为分析的要求。 但是在进行深入数据分析时， 为保证数据使用的严谨， 仍要检查谱仪采集的原始数据， 保证用于分析的特征谱线没有与其他谱线重叠。 同时在精确波长测量的基础上， 钨、 钼谱线识别和分析仍具有难点， 因为标准数据库还不够完备， 并且它们的谱线构成会随等离子体温度的变化发生较大改变， 仍需要结合有空间分辨能力的EUV谱仪的测量结果来进行准确的光谱分析。