一種基于湯姆遜散射弱相干技術的聚變堆等離子體密度溫度診斷方法
【專利摘要】一種基于湯姆遜散射弱相干技術的聚變堆等離子體密度溫度診斷方法，步驟包括：設置寬帶低相干強光源、設置帶寬調制器、設置分光系統(tǒng)、參考臂產生光程差及頻移信號、從參考臂和檢測臂返回的光發(fā)生干涉后經過光柵被分為不同波長的干涉光譜信號，并被陣列CCD接收、經過傅里葉變換得到入射光方向即軸向散射強度分布，再通過瑞利散射或拉曼散射絕對定標，獲得等離子體電子密度軸向分布信息；由譜線的多普勒展寬得出電子的熱運動速率信息，從而獲得等離子體電子溫度分布；最大后通過考臂長的平移調整改變光程差實現(xiàn)大深度等離子體(大于1m)的測量。本發(fā)明利用湯姆遜后向散射光學相干層析技術測量聚變堆等離子體電子溫度與密度的在線測量。
【專利說明】一種基于湯姆遜散射弱相干技術的聚變堆等離子體密度溫度診斷方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種聚變堆等離子體的密度溫度診斷方法，特別是但不限于聚變堆的等離子體密度溫度的湯姆遜散射弱相干技術的診斷方法。

【背景技術】
[0002](I)等離子體診斷技術
[0003]磁約束核聚變面臨的主要物理問題之一是如何有效實現(xiàn)托卡馬克長時間運行，這需要對等離子體內部的磁島、內部輸運壘、邊界輸運壘有一個全面的理解和控制，其首要問題就是對這些結構有一個準確有效的診斷方法。高溫等離子體診斷方法有探針法、微波法、感應線圈法、回旋共振法、激光法、X射線法、光譜法、光學法(可見光)、粒子束法和湯姆遜散射診斷等方法，電子密度測量范圍18?119CnT3,溫度測量范圍10—1?104eV。
[0004]目前，湯姆遜散射診斷被認為最準確的測量等離子體電溫度密度的方法。湯姆遜散射的原理是，當激光射入等離子體時，等離子體中的電子因激光電場作用而振動，產生輻射。等離子體對入射光的散射譜的多普勒展寬反映出電子的速率分布，等離子體電子溫度和電子密度可分別由散射譜的多普勒展寬寬度和總的散射強度確定(通過瑞利散射或拉曼散射絕對定標)。
[0005]通常，湯姆遜散射診斷局限于單個空間點、單次測量，為了在一次等離子體放電過程中同時測量更多點的溫度、密度，在EAST、TFTR、TEXT0R、JT-60U、MAST裝置上實現(xiàn)多道激光湯姆遜散射診斷。HL-2A裝置上改進后的湯姆遜散射診斷的空間分辨率為2.2cm,時間分辨率為100ms，電子溫度測量范圍為0.55keV ^ Te ^ 8keV。但是湯姆遜散射診斷采用90°側向散射也有不足之處，如需要兩個窗口，入射與出射光路分散不利調試。
[0006]JET裝置上的雷達湯姆遜散射系統(tǒng)采用超短激光脈沖的后向散射，利用激光飛行時間或者雷達原理，可以知道各時刻激光脈沖的位置，隨時間分布的電子溫度T6與密度ηε可以轉化為隨徑向分布的Te與I，其空間分辨率約為12cm，時間分辨率為4Hz，電子溫度測量范圍為0.2keV ^ Te ^ 20keV，測量誤差在10%以內。
[0007]ITER裝置上湯姆遜散射診斷，等離子體芯部的電子溫度最高可達約40keV，電子相對論效應更加明顯，采用多波段激光器實現(xiàn)對電子溫度的測量。
[0008](2)弱相干成像技術
[0009]1991年,美國麻省理工學院J.G.Fujinoto等人開發(fā)了一種彈道光成像技術-
光學相干層析成像(OCT)，后來發(fā)展了頻域OCT (Spectral domain OCT, SD-0CT)，它的核心是一個采用寬帶光源的邁克爾遜干涉的弱相干技術。
[0010]頻域SD - OCT系統(tǒng)基于光譜干涉儀，從參考臂和檢測臂返回的光發(fā)生干涉后在快速光譜儀中被分為不同波長的干涉光譜信號，被線陣CCD接收。然后通過快速傅里葉變換，可以得到樣品的深度信息。如圖1所示，假定樣品為多層反射體，忽略樣品的色散，樣品不同縱向深度z處的后向散射幅度為a(z)，則從樣品返回的光可以看作是樣品不同深度返回的光波的疊加。則干涉光譜信號可以表示為:

【權利要求】
1.一種基于湯姆遜散射弱相干技術的聚變堆等離子體密度溫度診斷方法，其特征在于包括以下步驟: SI，設置寬帶低相干強光源，選擇的入射的激光器光源必須滿足以下條件:COtl > ωρ，ω0, ωρ為光源中心頻率及等離子體頻率；選擇激光器為紅外Nd:YAG激光器，中心波長為1064nm,能量2J，脈寬為0.1 μ s，脈沖頻率10Hz ；





O In O S2，設置帶寬調制器，調制帶寬Λ λ由相干長度需求調節(jié)設

π Αλ ΑΛ置Δ λ = 5nm,相干長度為0.2mm,即入射光方向即軸向分辨率； S3，設置分光系統(tǒng)，讓紅外YAG激光器發(fā)出的寬帶低相干光Itl經過分光器后分成兩束I1和12，其中一束弱光Ii經過參考臂的掃描系統(tǒng)反射形成參考光，所述I1 < 0.0l10 ;另一束強光I2經過物鏡聚焦到聚變堆等離子體內部即檢測臂，其后向散射光與參考光在光纖耦合器處重新匯合；所述I2 > 0.991。； S4，參考臂用來產生光程差及頻移信號，從分光棱鏡低能量出射光經過準直后垂直射入平面鏡后返回，參考臂步進電機的來回移動帶動平面鏡產生的光程變化，實現(xiàn)大尺度等離子體不同深度的測量； S5，從參考臂和檢測臂返回的光發(fā)生干涉后經過光柵被分為不同波長的干涉光譜信號，并被陣列C⑶接收；光柵的分辨率要求為δ λ = 0.0lnm，測量深度為I = 1cm ； S6，通過傅里葉變換得到入射光方向即軸向散射強度分布，再通過瑞利散射或拉曼散射絕對定標，獲得等離子體電子密度軸向分布信息；由CCD檢測得到的譜信號獲得等離子體對入射光的散射譜的多普勒展寬，得出電子的熱運動速率信息，從而獲得等離子體電子溫度分布； S7，由于聚變堆等離子體體積較大，并且寬帶光源的測量深度有限，為了測量整個等離子體區(qū)域，通過參考臂的平移調整改變光程差實現(xiàn)大深度的測量。
【文檔編號】H05H1/00GK104185353SQ201410451875
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月5日 優(yōu)先權日:2014年9月5日
【發(fā)明者】楊錦宏, 汪衛(wèi)華, 歐靖, 高宏, 祁俊力, 張強華 申請人:中國人民解放軍陸軍軍官學院