本技術(shù)涉及核聚變等離子體物理分析，具體涉及一種高溫等離子體中雜質(zhì)輸運系數(shù)測量方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在磁約束核聚變裝置上，等離子體的基本成分是氫及其同位素氘和氚，其它成分均定義為雜質(zhì)。托卡馬克等離子體中，雜質(zhì)的主要來源是面向等離子體材料(plasmafacing?material,pfm)和真空室氣壁。等離子體與面向等離子體材料相互作用，包括濺射、起泡、起弧、熱沖擊等物理化學(xué)過程，這是重雜質(zhì)的主要來源。真空室器壁吸附有大量分子或原子，通過低能解吸過程如熱解吸、粒子轟擊以及化學(xué)反應(yīng)等過程進入等離子體，這是輕雜質(zhì)的主要來源。聚變反應(yīng)的產(chǎn)物包含α粒子也是托卡馬克中不可避免的一類雜質(zhì)來源。按照等離子體準(zhǔn)中性條件，理想條件下作為聚變?nèi)剂系臍渫凰仉x子密度應(yīng)該等于電子密度，而雜質(zhì)離子的電荷數(shù)是燃料離子的數(shù)倍甚至數(shù)十倍。在相同的電子密度下，每一個雜質(zhì)離子的存在相當(dāng)于替換掉了等于自身電荷數(shù)的燃料離子，尤其當(dāng)高z雜質(zhì)達到一定濃度，對燃料離子具有強烈的稀釋作用。此外，根據(jù)日冕模型理論，等離子體輻射功率損失與電子、離子密度成正比，因此，雜質(zhì)聚芯，尤其是重金屬雜質(zhì)，會導(dǎo)致輻射功率損失增強，從而耗散能量，降低等離子體的約束品質(zhì)。此外，雜質(zhì)聚芯會稀釋燃料，降低聚變功率。因此，理解雜質(zhì)輸運特性對于雜質(zhì)控制、提高聚變產(chǎn)額具有重要的意義。

2、在高溫等離子體中，存在豐富的雜質(zhì)特征譜線，因此，通過測量這些特征譜線可以開展雜質(zhì)輸運研究。這些雜質(zhì)特征譜線大部分處于紫外波段，因此，為了測量這些譜線需要研制真空紫外或者極紫外光譜系統(tǒng)。由于紫外波段的電磁波輻射很容易被物質(zhì)吸收，所以探測器前端需要設(shè)計體積比較龐大的真空結(jié)構(gòu)，并利用高分辨的光柵將紫外光譜分離出來。導(dǎo)致紫外光譜系統(tǒng)一般都比較龐大，缺少靈活性，限制了聚變裝置上雜質(zhì)輸運的研究。因此，研究一種靈活多變、快速確定雜質(zhì)輸運系數(shù)的方法是目前開展雜質(zhì)輸運研究所面臨的關(guān)鍵問題之一。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有雜質(zhì)特征測量技術(shù)導(dǎo)致研制成本高、靈活性較差的問題，本技術(shù)提出了一種高溫等離子體中雜質(zhì)輸運系數(shù)測量方法和系統(tǒng)，本技術(shù)采用頻率調(diào)制注入雜質(zhì)和光譜測量技術(shù)來確定雜質(zhì)輸運系數(shù)，大大降低了研制成本，提高了雜質(zhì)輸運研究的靈活性，從而快速給出雜質(zhì)是輸運系數(shù)，為等離子體雜質(zhì)輸運研究提供可靠有效的技術(shù)參考。

2、本技術(shù)通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、一種高溫等離子體中雜質(zhì)輸運系數(shù)測量方法，包括：

4、獲取雜質(zhì)注入到等離子體中引起的等離子體輻射功率的時空演化信號；

5、根據(jù)所述等離子體輻射功率的時空演化信號，采用阿貝爾變換得到等離子體輻射功率密度的空間分布；

6、根據(jù)所述等離子體輻射功率密度的空間分布，采用傅里葉變換得到等離子體輻射的幅度和相位在空間上的分布；

7、利用雜質(zhì)輸運方程數(shù)值求解技術(shù)，通過改變雜質(zhì)擴散系數(shù)和雜質(zhì)對流速度系數(shù)來逼近所述等離子體輻射的幅度和相位在空間上的分布，即可快速確定雜質(zhì)的擴散系數(shù)和對流速度系數(shù)。

8、在一些實施方式中，所述的獲取雜質(zhì)注入到等離子體中引起的等離子體輻射功率的時空演化信號，具體包括：

9、采用寬波段光譜探測器測量得到所述等離子體輻射功率的時空演化信號；

10、其中，所述寬波段光譜探測器包括多個探測通道，多個所述探測通道的探測區(qū)域均勻覆蓋整個所述等離子體。

11、在一些實施方式中，所述的獲取雜質(zhì)注入到等離子體中引起的等離子體輻射功率的時空演化信號，具體包括：

12、采用寬波段光譜探測器陣列測量得到所述等離子體輻射功率的時空演化信號；

13、其中，所述寬波段光譜探測器陣列的探測區(qū)域均勻覆蓋整個所述等離子體。

14、在一些實施方式中，采用激光吹氣注入技術(shù)，以固定頻率注入等量雜質(zhì)到所述等離子體中。

15、在一些實施方式中，所述的利用雜質(zhì)輸運方程數(shù)值求解技術(shù)，通過改變雜質(zhì)擴散系數(shù)和雜質(zhì)對流速度系數(shù)來逼近所述等離子體輻射的幅度和相位在空間上的分布，具體包括：

16、通過改變雜質(zhì)擴散系數(shù)和雜質(zhì)對流速度系數(shù)，數(shù)值求解所述雜質(zhì)輸運方程得到多個不同系數(shù)組對應(yīng)的幅度和相位的空間分布數(shù)據(jù)；

17、利用最小二乘法得到與所述等離子體輻射的幅度和相位在空間上的分布誤差最小的一組幅度和相位的空間分布數(shù)據(jù)，其對應(yīng)的雜質(zhì)擴散下式和雜質(zhì)對流速度系數(shù)即為雜質(zhì)輸運系數(shù)。

18、在一些實施方式中，所述的通過改變雜質(zhì)擴散系數(shù)和雜質(zhì)對流速度系數(shù)，數(shù)值求解所述雜質(zhì)輸運方程得到多個不同系數(shù)組對應(yīng)的幅度和相位的空間分布數(shù)據(jù)，具體包括：

19、設(shè)置一組初始雜質(zhì)擴散系數(shù)和雜質(zhì)對流速度系數(shù)，利用所述雜質(zhì)輸運方程，求解得到初始系數(shù)組對應(yīng)的幅度和相位的空間分布數(shù)據(jù)；

20、在初始系數(shù)的基礎(chǔ)上逐步改變雜質(zhì)擴散系數(shù)和雜質(zhì)對流速度系數(shù)，從而得到多個不同系數(shù)組對應(yīng)的幅度和相位的空間分布數(shù)據(jù)。

21、在一些實施方式中，所述雜質(zhì)輸運方程表示為：

22、

23、式中，nz為雜質(zhì)密度，d為雜質(zhì)擴散系數(shù)，v為雜質(zhì)對流速度系數(shù)，sz為雜質(zhì)源，r為等離子體小半徑。

24、另一方面，本技術(shù)提出了一種高溫等離子體中雜質(zhì)輸運系數(shù)測量系統(tǒng)，包括：

25、信號獲取模塊，所述信號獲取模塊用于獲取雜質(zhì)輸入到等離子體中引起的等離子體輻射功率的時空演化信號；

26、第一變換模塊，所述第一變換模塊根據(jù)所述等離子體輻射功率的時空演化信號，采用阿貝爾變換得到等離子體輻射功率密度的空間分布；

27、第二變換模塊，所述第二變換模塊根據(jù)所述等離子體輻射功率密度的空間分布，采用傅里葉變換得到等離子體輻射的幅度和相位在空間上的分布；

28、以及，數(shù)值模擬模塊，所述數(shù)值模擬模塊利用雜質(zhì)輸運方程數(shù)值求解技術(shù)，通過逐步改變雜質(zhì)擴散系數(shù)和雜質(zhì)對流速度系數(shù)來逼近所述等離子體輻射的幅度和相位在空間上的分布，即可快速確定雜質(zhì)的擴散系數(shù)和對流速度系數(shù)。

29、在一些實施方式中，所述信號獲取模塊包括：

30、雜質(zhì)注入單元，所述雜質(zhì)注入單元采用激光吹氣注入技術(shù)，將雜質(zhì)以固定頻率，等量注入到等離子體中；

31、以及，光譜探測單元，所述光譜探測單元包含多個探測通道的寬波段光譜探測器或者采用寬波段光譜探測器陣列，且探測區(qū)域均勻覆蓋整個所述等離子體，測量得到所述等離子體輻射功率的時空演化信號。

32、在一些實施方式中，所述數(shù)值模擬模塊包括：

33、數(shù)值計算單元，所述數(shù)值計算單元通過改變雜質(zhì)擴散系數(shù)和雜質(zhì)對流速度系數(shù)，數(shù)值求解所述雜質(zhì)輸運方程得到多個不同系數(shù)組對應(yīng)的幅度和相位的空間分布數(shù)據(jù)；

34、以及，擬合單元，所述擬合單元利用最小二乘法得到與所述等離子體輻射的幅度和相位在空間上的分布誤差最小的一組幅度和相位的空間分布數(shù)據(jù)，則其對應(yīng)的雜質(zhì)擴散系數(shù)和雜質(zhì)對流速度系數(shù)即為雜質(zhì)輸運系數(shù)。

35、本技術(shù)提出的一種高溫等離子體中雜質(zhì)輸運系數(shù)測量方法和系統(tǒng)，利用光譜探測器測量雜質(zhì)注入到等離子體中引起的光譜輻射演化，通過反演給出電磁波輻射的空間演化，光譜輻射強度正比于雜質(zhì)離子密度；通過空間傅里葉變換給出擾動幅度和擾動相位的空間分布；通過數(shù)值求解雜質(zhì)輸運方程，并逐步逼近擾動幅度和相位的實驗數(shù)據(jù)，從而快速、有效地給出雜質(zhì)的擴散系數(shù)和雜質(zhì)對流速度系數(shù)；

36、相較于現(xiàn)有技術(shù)，本技術(shù)提出的一種高溫等離子體中雜質(zhì)輸運系數(shù)測量方法和系統(tǒng)，采用小型的光電探測器，大幅度降低了系統(tǒng)研制成本，提高了雜質(zhì)輸運研究的靈活性；

37、本技術(shù)提出的一種高溫等離子體中雜質(zhì)輸運系數(shù)測量方法和系統(tǒng)，對雜質(zhì)種類沒有要求，大幅度擴寬了雜質(zhì)輸運研究的范圍，為雜質(zhì)輸運研究提供了技術(shù)支撐和參考。