W7X仿星器聚变装置极软X射线光谱诊断系统- C/O Monitor

2023年6月，德国联邦研究部长Bettina Stark-Watzinger在柏林与马克斯·普朗克等离子体物理研究所（IPP）科学主任西比勒·冈特（Sibylle Günter）教授共同发布了联邦教育与研究部（BMBF）的《聚变研究立场文件》，明确提出德国将强化聚变路线。在随后9月的采访中提到新增 3.7 亿欧元专项计划，预计在未来五年投资超过10亿欧元（11亿美元）用于核聚变研究。

新的资助计划旨在加强联邦教育和研究部 (BMBF) 在马克斯·普朗克等离子体物理研究所（Max-Planck-Institute for Plasma Physics，IPP）、卡尔斯鲁厄理工学院 (Karlsruhe Institute of Technology，KIT) 和于利希研究中心 (Forschungszentrum Jülich，FZJ) 正在进行的各项核聚变实验活动。其中，IPP被誉为欧洲最大的核聚变研究中心之一，在德国Greifswald运行着目前全球最大、最复杂的仿星器聚变装置Wendelstein 7-X^[1]。

2026年4月28日，美国能源部（DOE）与德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所（IPP）正式签署了一份为期十年的项目合作协议，以推进Wendelstein 7-X （W7-X）的联合研究，系统将最终向电网提供电力^[2]。

仿星器的概念设计最早源于美国物理学家Lyman Spitzer（普林斯顿等离子体物理实验室PPPL第一任主任）。不同于苏联科学家提出的磁场位形由外部纵场线圈形成的环向场和等离子体电流形成极向磁场叠加而成托卡马克装置，仿星器的磁场位形则完全是由外部的线圈电流提供的。由于没有等离子体电流，仿星器不会产生等离子体破裂的风险，其运行也就更加稳定，但其结构的复杂性也就在设计和工程制造方面提出了更高的要求。

图1《The Economist》杂志的配图，

展示具有环形磁约束结构的聚变反应堆

Wendelstein 7-X（简称W7-X）2015年投入运行，是目前全球最大、最复杂的仿星器聚变装置，由位于德国东北部梅克伦堡-前波美拉尼亚州的马克斯·普朗克等离子体物理研究所格赖夫斯瓦尔德分部(IPP Greifswald)负责运营。W7-X的磁场由50个非平面线圈（non-planar coils）和20个平面线圈（planar coils）提供，分为5个对称的区域，模块化线圈结构设计使得等离子体可以实现稳态运行。W7-X装置前身为1988-2002年运行的Wendelstein 7-AS，由位于德国的加兴分部（IPP Gaching）负责运营^[3]。

图2 Wendelstein 7-X照片

表一：装置技术参数

图3 C/O monitor 系统示意图，显示了两个光谱仪腔体（上方光谱仪针对于C和O，下方光谱仪针对B和N）的观测视场

在磁约束聚变研究中，杂质（impurities）控制始终是影响等离子体稳定性和聚变性能的核心问题之一。尤其是在长脉冲、高功率运行条件下，来自第一壁和偏滤器的杂质会显著影响等离子体能量平衡，并可能限制聚变装置实现稳态运行。

为了实现对轻杂质的快速在线监测，部署于 Wendelstein 7-X 仿星器上的 C/O Monitor 系统被开发出来。该系统专门用于监测碳（C）、氧（O）、氮（N）和硼(B)等低Z杂质的XUV谱线辐射，是一种面向未来稳态聚变运行的高速光谱诊断系统。

(1) C/O 信号与等离子体参数关系

▪ 氧（O）信号：在放电过程中几乎保持恒定，即使温度下降了约 1.6 倍。

▪ 碳（C）信号：随温度下降略有减小，变化幅度小于 1.5 倍。

▪ 信号主要与等离子体密度变化相关，而对温度变化的敏感性较低。

▪ 碳信号的变化还与 ECRH 加热功率有关，可能受偏滤器表面微波吸收影响。

(2) 空间观测特性

▪ C/O Monitor 对等离子体外层（边缘区域）敏感，覆盖较大水平接受角（3.3° ~ 4.6°），观察体积较大（C 通道约20 dm³，O 通道约40 dm³）。

▪ 与 HEXOS 光谱仪相比，C/O Monitor 的水平视场更广，有利于提高信噪比，但牺牲了部分空间与光谱分辨率。

(3) 系统稳定性

▪ 空气冷却系统足够维持 CCD 温度在 −25°C。

▪ 光谱仪和 CCD 在长时间放电条件下温升低于 1 K，证明散热与系统设计稳定可靠。

▪ CCD 在 200 Hz 帧率下实现毫秒级时间分辨率，能够精确捕捉杂质变化。

(4) 光谱特性

▪ 信号为 Lyman-α 谱线的强度，而非谱线精细结构。

▪ 由于色散元件和 CCD 的工程化取舍，谱线在色散方向上大部分失焦，但对系统目标（强度监测）无影响。

(1) 更多元素通道的加入

▪ 计划扩展至 Boron (B) 和 Nitrogen (N) 通道，完成多轻杂质同步监测。

▪ 设计多层膜色散元件和 CCD 布局以适应这些波长的 XUV 光谱线。

(2) 优化系统灵活性

▪ 光谱仪输出臂采用波纹管，可调节长度，允许不同类型探测器安装。

▪ 继续探索 CCD 垂直 binning 与 Crop Mode 等模式优化时间分辨率。

(3) 详细等离子体参数分析

▪ 收集更多放电数据，结合径向和边缘等离子体参数（如通过交换束测量获得的杂质空间分布），实现更精确的建模与实验比对。

▪ 目标是量化杂质输运特性和壁相互作用强度。

(4) 稳态长脉冲运行应用

▪ 随着 W7-X 长脉冲实验推进，C/O Monitor 将提供连续、高时间分辨率的杂质监测，为稳态运行研究和偏滤器设计提供数据支持。

(5) 潜在技术改进

▪ 在保证工程稳定性的前提下，探索进一步提升 CCD 灵敏度和信噪比的方案；

▪ 优化色散元件配置以兼顾更高通量和适度光谱分辨率。

C/O Monitor 系统在 Wendelstein 7X 的 OP2 实验阶段的顺利调试与首次运行，说明系统能够稳定地记录氢样碳（C VI）和氧（O VIII）的 Lymanα 谱线信号。其中我们合作伙伴的greateyes 制作的软X射线CCD相机和晶体、及多层膜色散元件是该光谱仪的核心元件，起着关键的作用。我们是一支对于极紫外、X射线及新兴技术充满热情的团队，如果你对相应的产品有任何疑问想要和我们交流、探讨，欢迎随时与我们联系。

任何顶尖技术的价值最终实现，都离不开与本地化需求的深度咬合。这正是众星联恒扮演的关键角色。作为德国greateyes，optiXfab等公司在中国及东南亚市场的长期战略伙伴与总代理商，众星联恒远不止于渠道。我们是技术价值的“翻译者”，“传播者”及“实践者”。我们深刻的各种极紫外、X射线核心部件及系统的工作原理，性能模拟，及与相应系统的耦合考究，及其涉及到的广泛应用，如极紫外光谱诊断，PTY成像，XRF，XRD、RIXS及全场显微的细微不同要求，以使得我们可以快速地给您推荐适合的规格相机、晶体、多层膜镜片及光谱仪等，以加速您研究和开发进程。

同时我们不仅仅是引进设备，我还非常看重对于行业的深度洞察、工程集成需求支持与持续的本地化快速服务。因此，我们建立一个专业性技术和市场团队，及极紫外、X射线现货库（已实现快速交付）；为了解决常见的仪器宣传性能与实际性能有差距的问题，用户痛点与仪器设备之间的联系问题，我们建立极紫外、X射线分析实验室，其中配备了多套先进的X射线光源系统、光学元件以及探测器，可支持包括X射线成像、相衬成像、衍射分析、荧光检测以及X射线源性能表征在内的多样化的测试、预研和论证工作。

不仅要买对，还要用好。因为每一台极紫外、X 射线相关高端设备都是科研与生产的核心资产，其价值不仅在于硬件本身的精密性能，更在于依托专业的全生命周期技术支持，让这份资产持续创造价值。而日常预防性维护保养，正是保障高精度科研仪器实验稳定性、延长设备使用寿命的关键举措，更是极具价值的科研投资。所以我们还提供仪器保养、维护等服务，如：四镜光学浮区炉搬家记|所有准备，都是为了更好地为用户服务和科研级深度制冷极紫外、X射线CCD 相机传感器清洗：高风险任务的完美交付 。

点击阅读原文，了解更多greateyes 极紫外、X射线CCD相机详情。

参考信息：

[1]https://www.world-nuclear-news.org/articles/germany-plans-massive-investment-in-fusion?utm_source=chatgpt.com

[2]https://www.pppl.gov/news/2026/transatlantic-fusion-energy-research-just-got-easier

[3]https://www.ipp.mpg.de/w7x

[4]https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2025.115542