关于二氧化碳激光相干散射诊断的考虑

关于二氧化碳激光相干散射诊断的考虑李亚东李建刚（一）基本知识和背景•宏观不稳定性•波和等离子体相互作用•微湍流和反常输远•边界层物理当前磁约束聚变研究面临的四大问题董家齐CollectivescatteringfromwavesandfluctuationN.C.LuhmannandW.A.Peebles(Laserdiagnosticsofmagneticallyconfinedthermonuclearplasmas)First,low-frequencymicro-instabilities,suchasdriftwavesandconvectivecells,arethoughttobethemaincauseoftheanomaloustransportexistinginpresentdaytokamakplasmas.（反常输运研究）Second,RFheatingatthelowerhybridandharmonicsoftheelectronandioncyclotronfrequenciesarelikelytodevelopintocosteffectivealternativestoneutralbeamheating.Astudyofthelaunching,propagation,modeconversion,anddampingofsuchwavesisofimportanceinunderstandingtheheatingmechanismsandimprovingefficiencies.（波与等离子体相互作用）Third,theexternallaunchingofwavesinfusionplasmasandameasurementoftheirdispersionrelationscanleadtoaspatiallyandtemporallyresolveddeterminationofplasmaparameterssuchasiontemperature（测量离子温度、粒子分布、…）托卡马克装置能量输运示意图反常输运指的是反常的热传导；实验中的电子热导e是新经典理论值的2~3个数量级，离子热导I在实验中能够接近新经典理论值。等离子体物理诊断等离子体状态（基本参数测量）等离子体约束状态(等离子体参数分布测量---密度、温度、磁场、…)等离子约束状态的本质(反常输运和稳定性监测)微涨落(温度、密度、磁场…)MHD及破裂ki=2ik=2ks=2iρs=ρi(Te/Ti)0.5漂移波类型的湍流漂移波类型的湍流起源于等离子体宏观物理量的不均匀性，这些不均匀物理量的分布线型决定湍流性质，同时决定等离子体的输运。HT-7装置可进行k=8~23cm-1的有效测量，进行了k=31cm-1的测量尝试TEXT实验---高k离子模湍流对于不同加料方式的表现(i模)（二）HT-7装置CO2激光相干散射诊断发展过程Quasicoherentmodesphenomenon▽ω/ω~0.15Shot608730.00.20.40.60.81.0050100150(KA)TIME(s)IP0.00.20.40.60.81.005101560873#(v)VP0.00.20.40.60.81.0021019m3ne0.00.20.40.60.81.00.00.51.0(a.u.)XUV0.00.20.40.60.81.00.00.20.4(a.u.)Ha0.00.20.40.60.81.00.00.51.01.5(a.u.)Z1(2003年春季实验相干散射信号k=12cm-1)TEXT装置相干散射诊断信号（1）TEXT装置相干散射信号（2）HT-7装置相干散射信号(2005.5k=23cm-1频谱为t=0.1s)Fluctuationsandanomaloustransportintokamaks(Woottonetal)Phys.FluidsB,Vol.2.No.12,December1990当K值大于某一值，随着k值的增大对应的散射信号越弱，这篇综述文献总结的相干散射诊断所测k谱范围为0k20cm-1。（三）近期工作目标•在下轮实验中实现k=9cm-1、k=18cm-1、k=27cm-1三路同时监测并开展相关的实验。（k测量范围8~27cm-1)•进行大k监测尝试k=8cm-1、k=18cm-1、k=35cm-1（ETG）争取在明年的国际会议（成都）上与DIII-D的相应诊断工作进行学术交流二氧化碳激光相干散射系统与远红外激光、微波相干散射系统的比较散射信号强度PSP002LV2(ñ)2P0、0---激光功率、波长；Lv---散射体积；混合长度估计ñ/n~1/(kLn)Ln=d(lnn)/d(lnr)微波、远红激光散射系统：对光源功率要求不高；纵向空间分辨率较好；机械精度和稳定度要求不高；元器件保护；维护方便。单光源k谱测量范围窄；(装置中窗口空间的限制)在等离子体中有折射效应；对聚变装置的约束层(Q=1~Q=2)测量困难；要考虑聚变装置中的等离子体的截止密度。CO激光散射系统：二氧化碳激光转换效率高，容易获得高功率光源；波长短、可进行大范围的k谱测量；在聚变装置等离子体测量中不用考虑折射效应和截止密度。对于光学系统的稳定性、精度要求高，光学元器件防护困难。(四)为提高相干散射系统信噪比采取的手段（i）改变探测器的偏置方法（ii）改进激光系统•采用电流放大器工作方式进行偏置•同时准备反偏补偿工作方式(i)对激光的前腔镜、后腔镜和布儒斯特窗加水冷(ii)在激光的后腔镜加装精密定位器，微调激光腔长小角度相干散射系统需要对激光束进行长光程成像，其k谱的分辨能力由激光束的束腰决定，因此激光光束必须是TEM00；由于散射束与本振束的强度比为1：105~7，所测频谱范围为0~2MHz，因此本振激光束必须稳定。引起激光输出涨落的主要因素有：高次杂模干扰，多纵模干涉，激光体系的自组织现象，放电管气壁不稳定及工作气体流场的扰动…。因此这种激光品很难是工业产品。(五)CO2激光相干散射仪与CO2激光干涉仪的系统比较二氧化碳激光器二氧化碳激光器光束分束1:1光束分束1:200~400光束位相调制（声光调制）光束位相调制（声光调制）红外高斯光束成像系统红外高斯光束成像系统HgCdTe探测器(1:~1)HgCdTe探测器(1:105~7)相位差计采集采集二氧化碳激光干涉仪二氧化碳激光相干散射仪LHDComparisonofFIRandCO2InterferometeronPelletShot-0.4-0.200.20.444.14.24.3=0.32=0.41=0.52=0.61=0.71=0.8=0.89=1.0=1.06BZ(m)R(m)ch9ch10ch11ch12FIRBeamPath02468101200.511.522.5Shot335169(4029)10(4119)11(4209)t(sec)NL(x1019-m-2)FIRInterferometer.Phasejumpfrequentlyoccursathighdensitypelletshot.-0.4-0.200.20.444.14.24.3=0.32=0.41=0.52=0.61=0.71=0.80=0.89=1.0=1.06BDZ(m)R(m)ch10ch1FromouterCO2BeamPath02468101200.511.522.5Shot33516ch2R=4.111mch3R=4.127mch4R=4.143mch5R=4.159mch6R=4.174mch7R=4.190mch8R=4.206mch9R=4.222mch10R=4.238mNL(x1019-m-2)t(sec)CO2Interferometer.NophasejumpoccursWithoutvibrationcompensation.采用CO2激光干涉仪测量聚变装置中的等离子体密度是发展的必然趋势1.能够实现几十道的等离子体密度测量，给出完整的等离子体密度分布线型（相位差计位相分辨己达2/12800jt-60U）2.不用考虑折射效应3.不用考虑截止密度