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              等離子體所研制出超高時空分辨率湯姆遜散射診斷系統
              文章来源: 文/韩效锋、肖树妹 图/胡爱兰 发布时间: 2019-08-20

                近日,等离子体所诊断组承担研制的超高时空分辨率汤姆逊散射诊断系统顺利通过专家验收。该诊断系统可分别在4kHz YAG激光超高频模式(10个脉冲)和100Hz YAG激光连续模式下落实等离子体电子温度、密度全空间同步测量。目前,该诊断系统是国际上由单台激光器落实的频率最高的汤姆逊散射诊断。

                電子溫度、密度分布是聚變裝置关键的基本參數,也是很多聚變物理問題研究的基礎。激光湯姆遜散射診斷通過電子在激光作用下的散射譜形狀和強度獲得電子溫度、密度實驗數據。由于其原理清晰,被國際公認爲是聚變研究中最可靠的電子溫度、密度分布診斷手段,是包括ITER在內國際各聚變裝置優先發展的診斷手段。由于湯姆遜散射診斷需求在納秒級時間內分析激光與電子産生的光子量級的散射譜,此系統對于激光器、弱快信號探測技術提出了極高的要求,被聚變研究中認爲是最難的幾個診斷之一,此前只有少數幾個發達國家具有完整的研制能力。

                对于以高参数、长脉冲为目标的EAST来说,1亿度以上的电子温度必须由汤姆逊散射精确测量,但1亿度电子激光散射谱谱宽更宽、强度更弱,要想获得高精度信号,对系统激光器和探测器提出了更高的要求,即需求考虑快速物理过程也要兼顾诊断稳定运行时间可达1000秒以上。近年来,等离子体所激光汤姆逊散射课题组针对EAST装置实验需求,不断吸收消化国际先进激光、探测技术,成功发展了具有超高时空分辨率的汤姆逊散射诊断系统。近期,该研究团队开创性地提出一种串脉冲方法并开展技术攻关,成功研制出了具有特色的4kHz/3J YAG脉冲激光器。同时攻克高性能散射光分光、红外弱快信号探测、高速采集、高效激光传输和自动准直关键技术难题,该系统在EAST装置上成功落实了空间45测量点、最高时间分辨250μs、最高空间分辨率3mm、电子温度与密度误差分别小于10%和15%的全空间电子温度密度分布测量。该系统是目前国际上频率最高的由单台激光器落实的YAG汤姆逊散射诊断系统,其主要关键技术指标达到世界前沿水平,尤其是4kHz高功率激光器已远超目前主流装置上普遍使用的几十赫兹以及ITER在研的300Hz激光器。

                同時,該研究團隊通過全腔水冷結構,研制完成3.5J/100Hz全燈泵浦工作模式激光器,該激光器可在3.5J大功率模式下以100Hz連續穩定工作10多分鍾,激光器綜合參數已達國際前沿水平。該激光器通過激光合束技術實現與4kHz激光器的協同工作,爲EAST長脈沖穩態運行多時間尺度研究提供可靠的研究手段。目前已完成的EAST湯姆遜散射診斷系統在時間分辨率(4kHz)、空間分辨率(3mm)和運行穩定性等關鍵技術方面均達到世界前沿水平。

                相關工作是在科技部國家磁約束核聚變能發展研究專項“EAST等離子體關鍵分布參數對外部功率動態響應的研究”“EAST高約束模式下邊界輸運壘精細結構研究”和國家自然基金項目共同支持下得以完成,已爲EAST成功實現100秒H模和電子溫度一億度等離子體放電等重大成果提供了关键的數據支持。

                 

                EAST湯姆遜散射診斷高頻高能量YAG激光器

                 

                EAST湯姆遜散射診斷分光光譜儀陣列及高速采集系統

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