在托卡马克中，边界等离子体中的基本过程包括燃料粒子、面对等离子体的壁材料（Plasma-Facing Materials, PFM）杂质和注入杂质的基本原子分子过程，刮削层层流及杂质输运，以及PFM溅射刻蚀和迁移再沉积等。其中主要的原子分子过程包括电子与H同位素和杂质原子（离子）的碰撞激发、碰撞电离；电子与H同位素分子以及杂质元素的氢（包括同位素）化合物分子碰撞激发、电离、解离、激发解离和电离解离；以及离子与中性原子和分子电荷交换碰撞过程等。由于在等离子体中这些过程不能被直接测量和单独研究，所以它们对聚变等离子体的影响只能通过理论模拟来推测。然而理论模拟需要用到上述原子分子过程发生的几率、产物及其空间分布、能量分配等原子分子数据。

       等离子与壁材料相互作用是影响托卡马克装置运行和寿命的关键问题。等离子体的稳态能流和粒子流，边界局域模和湍流作用的瞬态能流和粒子流都会输运到PFM上。高热负荷和强粒子流会影响PFM的结构和性能、缩短其使用寿命并带来装置安全问题，同时还会产生灰尘并可能进入芯部等离子体而对其产生影响。因此研究等离子与壁材料相互作用中各种物理过程和机理并加以控制对于在托卡马克装置上实现高参数、长脉冲运行具有重要意义。而对等离子与壁材料相互作用中物理过程的研究不可避免地会涉及边界等离子体中的原子分子过程，原子分子数据是边界等离子体模拟过程中必不可少的输入参数。

       电子束离子阱（EBIT）可以产生任何元素的等离子体，且电子能量单一、可调，它为分解研究等离子体中的原子物理过程提供了强有力的工具。上海EBIT装置是高能EBIT，非常适合于托卡马克芯部高温等离子体的分解研究。然而对于托卡马克边界区域如刮削层和偏滤器中，等离子温度较低（1-300电子伏特），要对其进行分解研究，需要专门建设低能EBIT装置来产生和约束相应的中低电荷态离子并对其进行光谱学研究。虽然上海EBIT实验室已经完全掌握了高能EBIT的核心技术，但对低能EBIT完全没有经验。因为要将EBIT的能量降低到几百电子伏特以下，极需要解决电子束在低能下的不稳定性这一难题。在上海EBIT实验室研制低能EBIT之前，国际上仅有少数几台EBIT能够工作在200电子伏特以下，它们是美国劳伦斯立弗莫国立实验室LLNL-EBIT（140eV），德国柏林等离子体所Berlin-EBIT（190eV），德国马普研究所海德堡核所的Flash-EBIT(75eV)，日本电气通信大学的Cobit（100eV）。上海EBIT实验室研究小组在邹亚明带领下，采用全新的结构设计，经过大量的电磁轨迹模拟计算和组装调试，于2011年建成了国内第一台低能量的EBIT装置，上海永磁EBIT（SH-PermEBIT），其电子束能量范围60-5000eV，电子束流大小10mA，中心磁场约0.5T，其电子能量下限可以达到 60 电子伏特，为当时国际上最低。2012 年实验室在SH-PermEBIT的基础上，研制并建成了第二台低能EBIT，上海高温超导EBIT（SH-HtscEBIT），采用高温超导磁体结构，低能下限已经达到了30 eV，刷新了国际上EBIT的低能记录。该EBIT的研制成功为可开展更低能量的等离子体分解研究提供了可能。

       低能EBIT装置建成后，实验室即利用它们后进行了相关的等离子光谱分解研究，特别是对钨的中低价态光谱的研究工作。如我们在实验上首次探测到了类银钨离子的基组态4f-M1跃迁谱线，同时探索和完善了MCDF计算方法，发现了内壳层3d电子的价实关联能对精细结构能量的不可忽略性，修正后的理论值与实验之的差别由原先的1.5%降至0.1%。在此基础上，对类银等电子系列的4f精细结构开展了系统的研究，并用类银镱离子的光谱测量实验验证了此关联能的修正可推广到类银等电子系。到目前为止，实验室已经获得了钨的13价，25-28价的部分光谱数据，其中有数条谱线均为国际上首次测量，为托卡马克钨光谱的研究提供基础的光谱数据，填补了国际上在这方面的研究空白。由于钨离子价态众多，光谱多而且机器复杂，这方面进一步的研究工作还在继续开展中。

       在托卡马克边界和偏滤器区域，由于等离子体温度很低，存在中性的原子与分子。这些原子分子在低能电子作用下会发生激发、电离、解离等原子分子过程，因此模拟边界等离子体需要上述原子分子过程数据。然而目前不论理论还是实验，低能电子与分子作用过程的数据都比较缺乏，为此我们在高精度反冲离子动量谱仪上耦合了超低能脉冲电子束，用于边界等离子体中电子与分子作用过程研究。

       反冲离子动量谱仪是目前研究各种原子分子碰撞反应的最佳工具。主要工作原理是利用粒子束（电子、离子及光子）与冷靶相互作用，反应产生的粒子（自由电子、反冲离子等）由弱引出电场引出，并由具有多击响应的位置灵敏探测器收集，实验过程中在引出电场方向会增加一个弱的磁场，加强对电子的收集，实现对反应产物接近4π立体角的收集。基于上海EBIT的全信息带电粒子动量谱仪的主要部分已经完成搭建和测试，具体包括：飞行时间谱仪(TOF)，其时间分辨好于1ns；延迟线阳极二维位置灵敏探测器，有效探测面积直径75mm，位置分辨好于100μm，具有多击响应特点；数据获取系统采用VME标准插件，由单板计算机进行控制，快电子学与数据获取系统的时间分辨达到1ns，系统死时间小于10ns；超声气体靶采用超声喷嘴配合三级差分，可以使气体温度降低1000倍，且主腔室真空好于2×10-10Torr。

       低能脉冲电子束系统于2011年初完成调试和优化，电子束可以在0.5 ns和1ns的脉冲宽度下工作，电子束能量下限15 eV。同年完成脉冲电子束与动量谱仪对接，电子束进入碰撞区域前由限束光澜对束流进行准直和限束，并通过一个外加的单透镜把电子束聚焦到碰撞中心。

       同时利用极低能电子碰撞反冲离子动量谱仪，开展了边界等离子体物理中的电子与原子分子相互作用过程研究工作。首先测量了低能电子作用下甲烷、乙烯分子电离、解离的相对截面，结果与前人工作符合很好，验证了系统的可靠性。在此基础上测量了甲烷等碳氢分子解离过程进行了研究，由于采用超声气体冷靶，可以有效去除室温气体热运动对动能测量的影响，实验精度较前人工作提高了四倍以上，给出了甲烷、乙烯等分子在低能电子作用下解离过程所释放的动能。此外，利用动量谱仪能够对全部反冲离子的动量进行高精度测量的特点，在实验上通过测量库伦爆炸过程中每一个反冲离子的动量，再根据动量、能量守恒确定中性碎片的动量，首次实验上确定了二价甲烷离子库伦爆炸过程中的同时反应和非同时反应的通道。

       2009至2013年期间，该方向完成了科技部ITER计划专项一项、自然科学基金青年项目一项、国际原子能机构项目一项。发表SCI论文12篇，实用新型专利一项。

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Experimental and theoretical study of the ground-state M1 transition in Ag-like tungsten

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Development of a low energy e− gun for studies of e−–molecule interactions using a recoil-ion and electron momentum spectrometer

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Space charge effects on electron trajectories and electron kinetic energy in a low-energy electron beam ion trap

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A ray-tracing program and two cases of its application at the Shanghai EBIT laboratory

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Configuration and calibration of a flat field grating spectrometer in the wavelength range 7–60Å with a Manson ultrasoft x-ray source

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17. WANG Xincheng, W EI Baoren, YANG Yang, SHEN Yang, XIAO Jun, ZHANG Xuemei, ZOU Yaming

A multi-Parameter data acquisition system for the collision researchplatform at Shanghai EBIT

NuclearScience andTechniques20(2009)51

相关人员：邹亚明，肖君，魏宝仁，杨洋、路迪、王新成、Roger Hutton，