科學家研製出超高時空解析度湯姆遜散射診斷系統

近日，中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所診斷組承擔研製的超高時空解析度湯姆遜散射診斷系統順利通過專家驗收。該診斷系統可分別在4kHz YAG激光超高頻模式（10個脈衝）和100Hz YAG激光連續模式下實現等離子體電子溫度、密度全空間同步測量。目前，該診斷系統是國際上由單台激光器實現的頻率最高的湯姆遜散射診斷。

電子溫度、密度分布是聚變裝置重要的基本參數，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。由於其原理清晰，被國際公認為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。由於湯姆遜散射診斷需要在納秒級時間內分析激光與電子產生的光子量級的散射譜，此系統對於激光器、弱快信號探測技術提出了極高的要求，被聚變研究中認為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製能力。

對於以高參數、長脈衝為目標的EAST來說，1億度以上的電子溫度必須由湯姆遜散射準確測量，但1億度電子激光散射譜譜寬更寬、強度更弱，要想獲得高精度信號，對系統激光器和探測器提出了更高的要求，即需要考慮快速物理過程也要兼顧診斷穩定運行時間可達1000秒以上。近年來，等離子體所激光湯姆遜散射課題組針對EAST裝置實驗需求，不斷吸收消化國際先進激光、探測技術，成功發展了具有超高時空解析度的湯姆遜散射診斷系統。近期，該研究團隊開創性地提出一種串脈衝方法並開展技術攻關，成功研製出了具有特色的4kHz/3J YAG脈衝激光器。同時攻克高性能散射光分光、紅外弱快信號探測、高速採集、高效激光傳輸和自動準直關鍵技術難題，該系統在EAST裝置上成功實現了空間45測量點、最高時間分辨250μs、最高空間解析度3mm、電子溫度與密度誤差分別小於10%和15%的全空間電子溫度密度分布測量。該系統是目前國際上頻率最高的由單台激光器實現的YAG湯姆遜散射診斷系統，尤其是4kHz高功率激光器已遠超目前主流裝置上普遍使用的幾十赫茲以及ITER在研的300Hz激光器。

同時，該研究團隊通過全腔水冷結構，研製完成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多分鐘，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，為EAST長脈衝穩態運行多時間尺度研究提供可靠的研究手段。

相關工作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完成，已為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重要的數據支持。

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採集系統

來源：中國科學院合肥物質科學研究院，語音合成技術由科大訊飛提供

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