背景与研究场景
Maciej Krychowiak 博士是马克斯·普朗克等离子体物理研究所物理学家，与世界上最大的超导仿星器 Wendelstein 7-X (W7-X) 合作。Krychowiak 博士使用光谱学研究 W7-X 等离子体边缘层，并评估未来聚变发电厂的可能性。
Krychowiak 博士进一步解释其与 W7-X 的工作：“聚变研究的目标是在真空室内用磁笼约束聚变等离子体并将其加热至高温，约 1 亿度。在这些温度下，重氢同位素氘和氚高速碰撞并聚变，产生氦核和大量可利用的能量。这与恒星中心发生的过程类似。”
“约束等离子体有两种主要方法：仿星器和托卡马克。仿星器比托卡马克建造更复杂，因为磁场线圈不是平的，而是三维螺旋形。目前有一些直径达 5 m 的较小仿星器，但 W7-X 是目前唯一直径 11 m 的大型仿星器。”
“理解 W7-X 中不同线圈电流及相应磁场构型下等离子体的复杂行为至关重要，以使中心等离子体尽可能热且稠密。我们使用光谱学观察偏滤器处等离子体边缘，等离子体撞击仿星器壁。我们有理论模型，需要光谱测量来验证它们并维持中心热等离子体。”
技术挑战
仿星器中的等离子体边缘层是关键研究区域，但该区域条件快速且不可预测地波动，需要精确诊断工具捕捉其中发生的全部现象。Krychowiak 博士概述其面临的挑战：“等离子体很复杂，建模非常困难。我们必须通过实验证明模型是否正确，因此高光学分辨率光谱测量非常重要。”
“当热等离子体撞击壁面时，会释放杂质原子污染等离子体中心。可通过有意增加边缘等离子体辐射以降低边缘等离子体温度，从而最小化等离子体向壁的热流入来缓解此效应。我们需要灵敏光谱仪研究壁面边缘层的等离子体辐射……壁后共有 324 根光纤，我们试图用可见光和 UV 光从那里成像等离子体。我们有许多进入边缘等离子体的视线，但仅在很小区域重叠，且由于几何限制无法完美对齐。”
“我们需要将光按波长分散到相机芯片的水平线上，并在光谱仪狭缝处排列光纤。为此我们需要光学质量良好的光谱仪，需要 7 或 8 套此类系统。”
光谱和相机设备需在这种高能量环境中运行，等离子体反应速度和光发射速度难以用常规仪器捕捉。Krychowiak 博士需要多套高性能光谱仪和相机系统。
成像方案与成果
为克服这一前沿复杂应用的挑战，Krychowiak 博士的团队在其诊断套件中集成了超过 10 台 IsoPlane 160/320/320A 光谱仪和 ProEM 1024 EMCCD 相机，“我们有很多，有四台 IP320 和升级的 IP320A 光谱仪配相机，2021 年新招标我们又订购了四台相机和四台光谱仪，以及两台光谱仪配我们已有的相机。”
Isoplane-320/320A 光谱仪是其类别中最佳成像光谱仪，具有卓越的无像散光学设计，可同时从 324 根光纤捕获高分辨率数据。其低光学像差和精确成像能力使 Krychowiak 博士能够极其准确地测量等离子体。“借助 IsoPlane，我们可以检测氢、碳、氮、氖、氩及其不同电离态等，良好的光谱分辨率非常重要。我们还使用全息光栅，可分离通常非常接近的谱线，允许我们在单个相机芯片上映射 54 条视线，非常有用。一台设备上全部完成，全部远程控制。”
与此配套，Krychowiak 博士使用 Pro-EM HS 1024 EMCCD 相机。凭借其高量子效率和低有效读出噪声，ProEM 是捕捉等离子体微弱发射线的理想探测器。“我们使用 ProEM 1024 x 1024 EMCCD 相机，带有特殊镀膜以实现尽可能高的量子效率。这些相机速度快，但更重要的是高灵敏度和低噪声读出，因为我们的谱线很弱。我们还从 360 nm 到 915 nm，可在宽光谱范围检测。”
先进光谱仪与相机的这一组合为 Krychowiak 博士团队提供了全面解决方案，以实时观察和分析等离子体行为，帮助优化 Wendelstein 7-X 性能并促进聚变能源持续发展。
参考文献
Krychowiak, M., König, R., Henke, F., Barbui, T., Flom, E., Kwak, S., et al. (2021). Gaussian Process Tomography of carbon radiation in the transition to detached plasmas in the Wendelstein 7-X stellarator. In G. Giruzzi, C. Arnas, D. Borba, A. Gopla, S. Lebedev, & M. Mantsinen (Eds.), 47th EPS Conference on Plasma Physics. Geneva: European Physical Society.