托卡马克等离子体诊断

4，电磁波散射电子温度测量电磁波散射理论非相干散射和相干散射具体实验设备ＬＩＤＡＲ电子温度测量方法优点缺点激光Thomson散射绝对测量空间分辨时空不连续电子回旋辐射（ECE）时间连续需定标轫致辐射设备简单需选适当波段电磁波的散射理论激光Thomson散射测电子温度Te)](exp[00rktiEEitetsrktiessREcmevssrRcetRE)]}(exp[)(4{)}(||4{),(00020220RRs/000/EEescrscRtt1)0(平面电磁波在单个电子上的散射入射电磁波推迟解在远处|)(||)(|4|),(|00000202essERressREcmetREescos)(00kvvkvkksscos20202sskkkkk2sin20kk2020|)(|essrddmcmere1520201082.24散射波振幅：频率和波矢1/cv若微分散射截面（电子经典半径）)cos1(21220rdd229201065.638mrdddT对非偏振波总截面三种成份的散射：电子:离子：σT∝r02∝1/mi中性粒子:电子均匀分布：总散射幅度为0电子密度涨落∝，总散射功率∝频谱：电子速度分布信息enen),(),(0kSnIIee散射光强：单位体积等离子体向空间某一方向的单位立体角内、单位频率间隔的散射功率单电子微分散射截面形状因子形状因子从动力学方程和Poisson方程得到非相干散射和相干散射非相干散射：Debye球内粒子上的散射可能有充分大的相差，可以探测到单粒子的行为相干散射：Debye球内粒子的散射位相趋同，振幅迭加，“衣着粒子”作为整体被散射，)(2sin)(1007.12sin4101420eVTnnmTenkeeeeD另一判断参数1Dk1])(exp[2),(2eekvkvkS2ln22sin4202/102/1cmTee非相干散射相干散射Gauss轮廓1Dk1电子成分贡献223kmTeepe离子成分贡献：TeTiGauss轮廓Te〜TiiaiemTZk22探测一般的集体振荡模式00kkkssThomson散射和Rayleigh散射在高温等离子体中，中性粒子的Rayleigh散射很弱，可以充进高气压测量，以作Thomson散射强度的定标。在低温等离子体中，两种散射谱可同时测量。实验装置的具体考虑非相干散射：短波长激光器如可见区的红宝石，或YAG激光，90度散射角。相干散射：远红外激光器，小角度散射。α＝１在温度密度平面上的位置典型Thomson散射测温度装置在几个keV温度以上，须考虑相对论效应，谱线发生兰移一般采用YAG或红宝石脉冲激光具体实验设备ＴＣＶ上的多点测量ＪＴ－６０上的散射测量光雷达技术用于散射测量LIDAR(lightdetectionandranging)原理和典型参数空间分辨δL=（tL+tD)/cJET:tL=300ps,700MHz,δL=12cmJT-60上的集体散射测量光路５，电磁波干涉和Faraday旋转测量干涉仪偏振仪反射仪方法优点缺点干涉仪技术成熟线平均，测相移反射仪不同磁场位形涨落影响偏振仪测偏振面旋转磁场影响波散射空间分辨定标电子密度测量方法比较电磁波干涉测量电子密度原理eepenmekcN22222222411224/emneececeeennnmeN212122dxncmedxnmelcleeele020222])21([20ecmdxneleＯ模折射率公式密度接近临界密度两束电磁波的光程差相当于２π相移的密度线积分为微波干涉仪电磁波频率和临界等离子体密度的关系是f=9×103ne1/2。如果电子密度是1×1014cm-1，相应电磁波长为3mm左右。一般来说，用于托卡马克测量的波长应为10μm-2mm。)cos(2cos2)cos()cos(tItItI两束幅度频率相等，相位差△Φ的微波束迭加后远红外激光干涉仪例如，经常使用电激励的HCN远红外激光，工作频率337μm，相应临界密度1016cm-３。激光输出分为三束，除去测量束参考束外，还有一束用于调频，在一转动的圆柱形光栅上反射，利用Doppler效应使频率改变。它的值由光栅旋转速度决定。然后，这一调频光束又经分光后和另两束光迭加。这样两束光迭加后的调制振幅分别为cos(△φ/2+△ωt/2)和cos(△ωt/2)。用平方律探测器接收信号后是两个频率为低频信号△ω，其间有一个相差△φ偏振方向平行磁场Faraday旋转测量（偏振仪）))(())((||||ceciLRckN平行于磁场方向传播的右旋波和左旋波的折射率时简化为(郑5.6.5)cicepe)1(211)(1222||cepecepeNdxBnmcedxcdxNcleecepell||02032220||011传播距离l两分量的相位差线偏振光入射等离子体，测量偏振面的变化，得到平行方向磁场和电子密度乘积的积分值知道密度分布计算极向磁场知道极向磁场分布计算密度偏振仪测量极向磁场或电子密度ＴＣＶ上的干涉仪－偏振仪ＣＯ２激光（9.27μm)的旋转角变化可从切向射入测量电子密度分布微波反射仪电磁波传播方向与磁场垂直时，分为O模和X模。它们反射在ω=ωpeω=ωRω=ωL。(郑５.５)cicepececeR22)2(2cicepececeL22)2(202eepemenωpe,ωceωpe,ωceO模或X模垂直入射,在三个密度层反射,测量与参考束的相差,可以得到它们的位置ITER上Ｏ模型和Ｘ模的截止点Ｘ模上截止从弱场侧注入，下截止从强场注入６，电磁波发射发射光谱辐射测量ＥＣＥ软Ｘ射线测量Ｑ轮廓测量START上的等离子体照片弹丸注入时的照片托卡马克等离子体的线辐射和连续辐射ＣＡＳＴＯＲ装置上的光谱测量结果用转镜实现空间扫描HT-7上的光谱测量设备FTU上Kr不同电离态的空间分布不同区域发射光谱特征（现代大型托卡马克）区域辐射波段H,He低Ｚ杂质高Ｚ杂质主要诊断边缘区可见,UV部分电离部分电离部分电离τp,Zeff中间区UV,X-ray完全电离部分剥离部分剥离杂质输运核心区X-ray完全电离完全剥离部分／完全剥离Ｘ线能谱电子的轫致辐射)/(105105)()4(3832/12372/12372/130232mWTZnTnnZmkTehcmnnZPeeezeeeeieb)/(10532/1237mWTnZPeeeffbekTheeeeeeffeTgkTmecmnZ/2/1302322),()2()4(338辐射功率密度存在几种杂质功率谱（温度单位keV）Gaunt因子功率谱高频区主要取决于指数部分，对数坐标下斜率为-h/kTe，低频区指数部分为１。主要用于决定Zeff用轫致辐射决定电子温度或Zeff低频区轫致辐射谱高频区轫致辐射谱轫致辐射谱和复合谱的迭加复合辐射hOOeO*21**hhOOeO辐射复合双电子复合吸收边日冕辐射模型)]([1111zzzzzzzezsnsnnndtdnzzzzsnn11)/(107.232/1213scmTZez)/)(exp()/0.6()()/(1032/32/15scmTEETEETsezzezzez碰撞电离自发辐射复合碰撞激发自发辐射跃迁电离态速率方程平衡时日冕模型，实验和理论比较从两谱线强度比可计算电子温度原子和离子发射光谱序列电离次数化学符号光谱符号光谱类型０CCI原子１C+CII类B离子２C2+或C++CIII类Be离子３C3+CIV类Li离子４C4+CV类He离子５C5+CVI类H离子６C6+（C核）从中性粒子光谱线强度计算粒子约束时间eieiinnsnnrrrtn0)(1aeirdrnsna00042peieNaRdtdNＨ离子电离速率方程（考虑到粒子流）只考虑电离，通过半径a处离子流量平衡时的粒子守恒方程从Ｈ原子谱线强度计算n0ne值，和Γi值，从而得到粒子约束时间τpDoppler展宽和位移测量离子温度和运动速度PLT装置上中性粒子注入时用FeXX266.5nm和FeXXIX25.5nm线得到的Doppler温度和环向旋转速度主动光谱技术好的空间分辨一台褶皱环上的中性粒子束诊断设备辐射量热器(bolometer)探测器：热敏电阻热电偶热释电ECE测量电子温度217102.6BTnPeec电子回旋辐射功率密度ＥＣＥ成像设备q(r)轮廓测量Zeeman效应或运动Stark效应Zeeman效应：谱线在磁场中分裂||B观察:σ：圆偏振⊥B观察:σ：⊥B偏振,m=±1π：||B偏振,m=0入射激光偏振面旋转，激发荧光强度正比于(E(t)·B)2．探测垂直方向π分量决定Ｂ方向运动Stark效应（MSE）高能中性粒子注入，粒子参考系中产生感应电场v×B，引起谱线Stark分裂。测量两分量的方向决定Ｂ方向。７，粒子束测量中性粒子能谱仪中子测量α粒子测量方法优点缺点Doppler展宽一定空间分辨需适当谱线中性粒子能谱可测能谱边缘区域中子能谱适合高温核反应离子温度测量方法比较中性粒子能谱仪中性粒子能谱仪器（静电偏转型）ＲＦ加热前后的中性粒子能谱H++H→H+H+电荷交换反应快慢快慢中子诊断JET上的实验结果，Ti=4.4keV])(exp[)(2EEEEFrninmmETmE2中子能谱半宽度α粒子测量