基于中能段电子束离子阱的杂质光谱研究平台的概念设计

宾 斌 张洪明 杨 洋 郝强旺 戴 超 王福地 符 佳 李颖颖李 军 肖 君 吕 波

1（中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所 合肥230031）

2（中国科学技术大学 合肥230026）

3（南华大学电气工程学院 衡阳421001）

4（复旦大学现代物理研究所 上海200433）

国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）和中国聚变工程实验堆（China Fusion Engineering Test Reactor，CFETR）等装置由于内部器壁高热负荷的要求，将采用以钨（W）为主的金属元素作为面向等离子体材料。由于等离子体与壁之间的相互作用，钨等金属杂质会进入等离子体，显著增加等离子体辐射损失，降低聚变产额，甚至引起等离子体破裂，危害装置运行安全。因此，研究钨杂质在等离子体中的输运行为并发展控制钨杂质含量的运行方案对于ITER 和CFETR 的稳态运行有重要意义，一直是托卡马克核聚变实验物理研究的重要研究课题［1-3］。

现有的托卡马克等离子体由于电子温度一般只有几个keV，只能将W激发到较低的电离态，而且由于钨原子结构复杂，辐射的线谱结构也相应复杂，目前仍然在继续寻找可用于ITER和CFETR上钨杂质输运研究的最佳谱线，因此进行谱线识别和原子数据的实验验证是目前面向ITER和CFETR钨杂质输运研究的重点，也是近年来一直是聚变等离子体诊断领域的热点之一。

目前，可行的W光谱研究方法是利用能量可调的单能电子束，如电子束离子阱（Electron Beam Ion Trap，EBIT）等装置来激发相关的光谱。EBIT 系统作为优良的金属原子谱线研究平台，可通过改变电子束能量为研究等离子体里面的钨杂质输运提供原子数据支持。

1986 年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）的Marrs、Levine 和Knapp 等［4］建成了世界上第一台EBIT 装置。随后国际上主要建成的高能EBIT 有：1990 年LLNL 建成EBIT II（2000 年搬到Lawrence Berkeley 实验室）［5］，美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）于1994年建成NIST EBIT［6］，英国牛津大学于1994 年 建 成Oxford EBIT［7］，日 本 于1996 年 建 成Tokyo-EBIT［8］，德 国 马 普 研 究 所 于1997 年 建 成Berlin-EBIT［9］，2000年Freiburg-EBIT在弗莱堡大学建成，后迁至海德堡，更名为Heidelberg-EBIT［10］。此外，中国上海EBIT［11］、北爱尔兰Belfast-EBIT［12］、瑞典Stockholm-EBIT［13］、加拿大粒子与核物理国家实验室TITAN-EBIT［14］等陆续被建成。为了节约成本且同时能满足相关科学研究需要，国际上也发展了一些紧凑型中低能EBIT，紧凑型电子束离子阱（Compact EBIT，简称CoBIT）大都采用液氮冷却的高温超导磁体或永磁铁，降低了研制和运行成本，操作简单，如德国分别于1999 年和2001 年建成Dresden EBIT I 和Dresden EBIT II［15］、日本NIFS 的CoBIT［16］、以及复旦大学的两台紧凑型EBIT［17］和西北师范大学有一台CoBIT［18］。

高能EBIT 的能量目前最高能达到200 keV，但造价非常昂贵而且维护成本高。相比较而言，中低能EBIT 具有造价和维护成本低且占用空间小的优势。但目前国际上的中低能EBIT 的能量大多在20 keV 以下，如NIFS 的最大能量为3 keV，德国的Dresden EBIT I最大能量在15 keV，复旦大学紧凑型EBIT 最高能量在5 keV。对于ITER 和CFETR 的钨杂质光谱（Te=20～30 keV）分析来说，中能段EBIT（能量在20～30 keV）具有独特的优势，既可以满足芯部又能满足边界等离子体钨杂质辐射谱线研究，能对绝大多数钨杂质高电离态光谱进行研究。发展一套该能量段的EBIT，对于分析钨杂质高电离态光谱，进一步研究聚变堆钨杂质聚芯和输运具有非常重要的意义。钨杂质谱线识别和原子数据的实验验证是目前ITER和CFETR钨杂质输运研究的重点。目前在上海EBIT装置上开展了低能段下（＜10 keV）钨离子（W11+、W25+、W26+、W27+、W28+等）电子结构研究，为ITER 边界等离子体光谱诊断提供依据。同时还与欧盟的JET 托卡马克光谱组联合开展了W45+、W46+、W50+的X射线光谱研究，获得了重要的原子数据，很好地协助了杂质输运和等离子体光谱诊断的研究［19］。

紧凑型电子束离子阱大都采用液氮冷却的高温超导磁体或永磁铁，来降低研制和运行成本，同时操作简单。但是目前CoBIT低能段装置能量范围最高为5 keV左右，中能段最高的能量为15 keV，仍然无法用于ITER 和CFETR（Te=20～30 keV）的钨杂质光谱研究，因为考虑到电子能量具有麦克斯韦分布，电子束能量上限至少为30 keV 才能观测到类似于ITER 和CFETR 等离子体中芯部钨杂质光谱谱线。针对聚变等离子体诊断需求，研制一种低成本，便于运行和维护的中能段（20～30 keV）EBIT系统来研究ITER 和CFETR 等离子体的钨光谱谱线，为钨杂质输运研究提供必要的原子数据支持。本文提出一种基于中能段电子束离子阱的杂质光谱研究平台（Medium-Energy Impurity Spectra Platform，MISP），采用无液氦损坏制冷机冷却的低温超导磁体，电子束能量可达30 keV，电子束电流可达30 mA，可用于观测到类似于ITER 和CFETR 等离子体中芯部钨、铁、氩、氙等托卡马克常见的金属杂质光谱谱线。

1 MISP系统设计

针对未来ITER以及CFTER装置运行的电子温度能段（20～30 keV）的高原子序数（Z）杂质离子光谱的研究，在各EBIT 上尚未深入展开，无法满足未来磁约束聚变反应堆中高Z 杂质离子光谱的测量需求，而且高能EBIT 机时紧张，所以目前有必要针对ITER和CFETR中的钨杂质输运研究研制一种低成本，便于运行和维护的中能段紧凑型（20～30 keV）EBIT 系统，来模拟聚变堆W 杂质光谱，同时也可以应用于其他原子的光谱研究，为托卡马克相关物理诊断发展提供重要的原子数据支持。作为光谱研究平台，也可为其他用户提供光谱分析手段，作为研究平台进行仪器共享。基于中能段电子束离子阱的杂质光谱研究平台主要设计参数为：

电子束最高能量：30 keV（未来ITER 以及CFTER装置运行的电子温度在20～30 keV）。

电子束最高束流：30 mA（现有的中低能EBIT的束流范围一般在10～50 mA，这里考虑收集极热负荷的压力，留有一定的余量）。

最高磁场强度：1.0 T（主要考虑电子束半径的压缩到100～200 μm，同时考虑紧凑型设计，线圈尺寸不能过大）。

磁体冷却方式：无液氦损耗制冷机传导冷却（如果采用液氮冷却的常温超导，由于超导的临界温度效应，其磁场强度很难达到1 T，除非采用大线圈）。

1.1 MISP的磁场设计

超导磁场的主要作用是压缩电子束，增强电子流密度，以加快电离速度。随着超导线圈所产生的轴向强磁场对它的径向压缩，其直径约缩减为原来的1/30，密度可提高1 000 倍，电离、激发、复合等原子过程的反应速率随之大幅提高。磁场不能太高，磁场强度太大了电子束可能不能达到收集极。比如在束流10 mA、磁场强度为5 T 的情况下，电子束能量一旦被降低到低于6.5 keV，就会发生电子返回的现象［20］。

MISP 的磁场拟采用无液氦损耗的制冷机冷头传导冷却的小型低温铌钛（NbTi）超导磁体（亥姆霍兹线圈）来约束高能电子束，在实现高约束磁场的同时又极大地降低研制成本［21］。根据MISP的设计需求，漂移管段磁场要满足磁场强度B0=1.0 T，轴向距漂移管中心L=±15 mm，磁场均匀度优于±1‰。MISP 的超导磁场是由两个平行的亥姆霍兹线圈产生，是一对彼此平行且连通的共轴圆形线圈，每一线圈匝数都为N匝，两线圈内的电流方向一致，大小相同，线圈之间距离d 正好等于圆形线圈的平均半径R，如图1 所示。假设两个线圈中轴线磁场强度为B，根据毕奥萨伐尔定理［22］，可以得到：

式中：I为线圈的电流；x为轴向的位置，假设漂移管中心为原点。当x=0、R=d 时，此时两线圈的中心轴线上磁场最均匀。

图1 亥姆霍兹线圈示意图Fig.1 Diagram of Helmholtz coils

考虑冷屏和多层绝热及导冷结构设计，两个线圈间隔需要满足d ＞70 mm，考虑到一定的余量兼顾紧凑型设计，我们设计两线圈的距离d=75 mm。根据毕奥-萨伐尔定理，在亥姆霍兹线圈轴线上中心处磁场强度与线圈电流和线圈匝数成正比，假设为亥姆霍兹线圈轴线上中心处磁场强度B0，则：

我们设计的线圈运行额定电流为20 A，线圈距离d= 75 mm，线圈内径R=75 mm，线圈外径为125 mm，根据这些条件，采用 COMSOL Multiphysics5.4 进行了仿真。图2 和图3 分别为在COMSOL 环境下模拟的磁场云图和线圈中轴线上±60 mm 范围内磁场分布一维线图。通过图2 和图3我们可以看到在这种条件下可以获得满足设计要求的均匀磁场。图4和图5分别为通过COMSOL模拟得到的EBIT 中没有加磁场约束或者磁场均匀度不好时候的电子束轨迹，此时部分电子会碰壁而损失掉，这样在中心漂移管处与离子碰撞反应的电子密度很低，就很难得到我们想要的高电荷态离子，同时也会造成管道壁的损伤。图6 为加了图2 所示的均匀磁场下的电子束轨迹，我们可以看到电子束被很好地压缩，并可以顺利到达收集极。图5（b）和图6（b）为将电子束部分进行局部放大的图，这样可以更明显看出两种情况下的电子束轨迹的差异。

图2 亥姆霍兹线圈的磁场分布云图Fig.2 Contour of magnetic field of Helmholtz coils

图3 磁场线圈中轴线上±60 mm范围内磁场分布一维线图Fig.3 One dimensional plot of magnetic field distribution within±60 mm on the central axis of the magnetic field coil

模拟结果显示设计参数可以满足磁场强度和均匀度的要求，此结果可以为下一步实际设计提供依据。实际中我们还要用电流密度做设计优化，后期还需要根据选线的参数确定匝数和电流值。磁体供电电流源精度是影响磁场均匀度另一个主要因素，另外匝数影响到线圈的储能和感应电压以及失超后的磁体的安全温度，这些都是需要进一步考虑。

图6 均匀磁场中EBIT的电子束轨迹(a)合适比例图，(b)局部放大图Fig.6 Electron beam trajectories of EBIT in a uniform magnetic field (a)Fit size plot,(b)Zoom plot

1.2 MISP的内电极系统设计

EBIT 内电极系统主要由电子发射极、漂移管、电子收集极三模块组成。由于电子在中心漂移管中的动能取决于电子枪阴极发射面和中心漂移管的电势差，所以在本EBIT 的设计中，关键参数束流能量最高值为30 keV，即要求上述电势差达到该值。对于高压系统来说，各电极和周边不同组件间的电势差是一个重要限制条件，决定了可以在一个系统内维持的最高高压。设计主要需考虑上述三个模块内部各个电极间、各模块之间、各模块和真空腔室间的高压绝缘。根据一般的经验，各模块将分别建立在一个高压平台上（有时电子枪和收集极也公用一个高压平台）。所以相对而言模块内部的电极间绝缘压力会小一些，主要的高压绝缘压力将在各模块和地之间。所以在考虑主腔室（即包含磁体的一体式腔室）设计时，我们原则是给各模块留尽量多的外部绝缘距离，最好限度地保证高压的安全性和稳定性。

根据文献［23］中关于真空中带介质的绝缘距离，在非理想情况下，我们尽量控制在超过15 kV/4～5 mm。所以为保证最大的耐压能力，需控制电极的外部直径和减少尖端数目，最终电极模块设计成圆柱型。由于线圈采用制冷机冷却，其制冷功率有限，需要悬挂吊装和冷屏阻挡来降低漏热。这限制了磁体腔室内部的上下间距，为了方便电极模块的安装，以及高压绝缘的考虑，应尽量减小上下出口法兰的间距。一般而言，带有液冷的收集极会具有更大的直径，故将其设计到窗口外，以获得最大的有效绝缘距离。而电子枪相对直径较小，其位置将可以深入到法兰内。

为保证大束流输出不低于20 mA，采用了美国Kimball Physics 的ES-440 型LaB6（六硼化镧）阴极。该阴极发射面的直径为1.78 mm，最大电流发射能力可达一百多毫安。LaB6具有很好的化学稳定性好、蒸发率低，同时它还有金属的导电性和导热性。在真空中，高温下该材料与本底气体反应时，生成的化合物的熔点都较低，这些生成物又不断蒸发，使LaB6发射面始终保持纯净的状态，这就使得抗中毒能力特别强。由于挥发较慢，其使用寿命也很长，以几年计。另一方面为保证电子枪的可靠性，在枪体设计中大量使用导热蓝宝石来实现绝缘和温度的导出。

1.3 MISP的光谱测量

MISP主要用于观测X射线波段的杂质谱线，采用晶体谱仪具有独特的优势。相比平面或者柱面弯曲晶体，球面晶体具有双聚焦特性，根据EBIT 结构特点，可采用高分辨率球面弯晶谱仪（X-ray Crystal Spectrometer，XCS）。本课题将采用合适的晶体参数（如2d=0.491 nm），通过设计可调角度的晶体支撑，可以灵活调节观测波段，覆盖从0.2～0.4 nm波长（Bragg 衍射角28°～54°），估算球面晶体采用曲率半径1 500 mm 时，可以获得8 000 左右的光谱分辨本领。弯晶谱仪的设计思路为：

1）采用多晶体组合的衍射单元（包括单晶体和双晶体）；

2）将出射孔置于CFm（晶体中心C 和水平聚焦点Fm）之间，以获取较高的光通量；

3）衍射角为：θave=53.946°；

4）球面晶体的中心点C点至探测器的中心点A点的距离是：AC=fm=R·sinθ= R·sinθave=1 500 mm×sin53.946°=1 213 mm；

5）W线和Z线在探测器上的间距近似为：Δxwz=R·sinθave·Δθwz=18.88 mm；

6）对于PILATUS 900K 而言，其最好的空间分辨能力为Δx=0.172 mm，则球面弯晶谱仪诊断系统的谱分辨率为：λ/Δλ=tanθave·R·sinθave/Δx=9 685。

1.4 MISP的辅助系统设计

MISP 辅助系统主要包括真空系统、低温系统、注气系统、高压系统、控制系统等组成。由于EBIT内等离子体密度极低，其真空室真空度要达到10-8Pa 量级，对真空室材料和焊接技术方面有着极高的要求，所以在真空腔室的加工过程中要极其严格。参照上海SH-PermEBIT 和SH-HtscEBIT 超高真空腔体的设计［24］，其采用一台最大抽速约为300 L·s-1的安捷伦分子泵以及一台小抽速的安捷伦分子泵，抽速约为70 L·s-1，经过3 d可达6.6×10-6Pa，经过3 周以上的时间，真空度可达6.6×10-7Pa，实际上腔体中心区域比规管测量处的真空度要高，极限真空可达10-8Pa量级。实际上真空度优于4×10-7Pa就达到产生高电荷态离子的实验条件。为了确保达到所需的真空度，我们设计也采用两台涡轮分子泵，一台大抽速分子泵，抽速为600 L·s-1，以及一台小抽速分子泵，抽速为70 L·s-1，配合干泵，再加上烘烤，由于制冷机的制冷，可以使超高真空腔体的温度达到100 K 以下，实际可实现腔体真空度要优于上海两台装置。

为实现传导冷却需要将磁体杜瓦配置一台制冷机。选用住友SD-415D 型号的制冷机，其制冷能力为：1st 35 W@50 K（50 Hz）；2nd 1.5 W@4.2 K（50 Hz）。考虑到一级冷头到磁体冷屏会有20 K以上的温差，一级冷头温度按照小于4.5 K 设计，则漏热要小于25 W。

注气系统采用成熟的差分微量气体注入系统，通过微量阀将气体注入四通混合腔，然后通过差分长管，并经过吹气口进入到阱区。阱区相应窗口也做了对应的接口设计。吹气口采用蓝宝石或聚四氟乙烯保证绝缘。

高压系统设计包括两个电源机柜阵列，一个是电子发生器和收集器平台，另一个是漂移管平台。电子发生器和收集器平台包含电流源1 台，5 kV 电压源5 台，30 kV 电压源1 台，隔离变压器1 台；漂移管平台包含5 kV电压源两台，10 kV电压源1台。

控制系统设计将采用C++开发，整合各个电源的控制和回读，并进行记录和显示。同时整合部分主要分子泵、干泵以及阀门的控制和回读。系统将基于Windows系统编写，使用工控PC控制。

2 结语

本文提出了中国科学院等离子体物理研究所基于中能段电子束离子阱（EBIT）杂质光谱研究平台的（MISP）概念设计，主要包括内电极系统设计、磁场设计、光谱平台及其他辅助系统设计。MISP设计的电子束的能量上限为30 keV，电子束的束流上限为20 mA，漂移管中心均匀磁场强度为1.0 T，磁体冷却方式为无液氦损耗制冷机传导冷却。EBIT 的优势是电子束能量单一且连续可调，SHF-EBIT可以作为未来ITER 以及CFTER 装置运行的能段（20～30 keV）的高Z杂质离子光谱研究平台。