老师讲义版北大5章q

第五章，等离子体诊断5.1，概述1，诊断之意义等离子体，特别是聚变等离子体，是一个多自由度的复杂系统。其特征不能用一些测量的概念是诊断，其意义较测量广泛，包括对数据的分析及对集体运动模式的探测。Thomson散射、电子回旋辐射、轫致辐射、含无法准确的施行，粒子速度可能是非Maxwell分布的，用两种而温度是做各种物理分析必不可少的。诊断更一般的意义是：研究建立稳定等离子体的方法及磁流体不稳定性；决定能量体涨落以确定对等离子体输运的影响。诊断的首要功能当然是为物理研究提供必要的数和安全运行提供ITER所关心的物理问题，所需要的诊断项目可以举例如下表。主要物理研究课题和相应的诊断项目Te，电neTi等；根据所探测区域，可分为区，边界区和固体表面；根据探针等。151物理研究课题诊断项目第五章，等离子体诊断5.1，概述1，诊断之意义等离子体，特别是聚变等离子体，是一个多自由度的复杂系统。其特征不能用一些测量的概念是诊断，其意义较测量广泛，包括对数据的分析及对集体运动模式的探测。Thomson散射、电子回旋辐射、轫致辐射、含无法准确的施行，粒子速度可能是非Maxwell分布的，用两种而温度是做各种物理分析必不可少的。诊断更一般的意义是：研究建立稳定等离子体的方法及磁流体不稳定性；决定能量体涨落以确定对等离子体输运的影响。诊断的首要功能当然是为物理研究提供必要的数和安全运行提供ITER所关心的物理问题，所需要的诊断项目可以举例如下表。主要物理研究课题和相应的诊断项目Te，电neTi等；根据所探测区域，可分为区，边界区和固体表面；根据探针等。151物理研究课题诊断项目要求等离子体约束边界区要求好的空间分辨运转极限参数轮廓、边缘扰动、旋转破裂现象参数轮廓、第一壁测量、逃逸电子快的时间响应反常输运参数轮廓，涨落偏滤器物理粒子流、参数空间梯度α粒子物理αα粒子点火区研究各区域聚变功率、辐射功率稳态燃烧研究参数轮廓2，诊断方法主要诊断方法现将托卡马克研究中一些最重要物理量和研究对象的主要诊断方法Ip,UL,△x,β分别为安全因子轮廓、旋转速度轮廓、等离子体电流、环电压、水平位移、比压。最重要物理量和诊断方法如上所述，对于一个物理量，可以有一种以上的诊断方法。那么，我们如何在具体的实验安排中选择诊断方案呢？这要根据多种因素考虑决定。是在其迅速发展阶段，如破裂，要求高的时间分辨。对微观不稳定性，一般要求高的时间间反演。一点可能受到限制。可用、题，尤其是很多诊断的精度不高。2，诊断方法主要诊断方法现将托卡马克研究中一些最重要物理量和研究对象的主要诊断方法Ip,UL,△x,β分别为安全因子轮廓、旋转速度轮廓、等离子体电流、环电压、水平位移、比压。最重要物理量和诊断方法如上所述，对于一个物理量，可以有一种以上的诊断方法。那么，我们如何在具体的实验安排中选择诊断方案呢？这要根据多种因素考虑决定。是在其迅速发展阶段，如破裂，要求高的时间分辨。对微观不稳定性，一般要求高的时间间反演。一点可能受到限制。可用、题，尤其是很多诊断的精度不高。ECE则ECE是很好的诊断方法。计算结果当作参考。备的鲁棒性（robut152物理量诊断方法： 区边界区Te激光散射，ECE，轫致辐射，发射光谱静电探针ne微波 ，远红外 ，激光散射静电探针Ti中性能谱仪，谱线展宽，中子产额谱线展宽q(r)ZeemanStark效应V(r)Doppler位移Mach探针MHD活动Mirnov探圈，软Ｘ射线层析，ECE成像微观扰动子扩散静电探针Ip,UL,△x,β各种磁探圈对物理过程的了解，特别是其时空关系，要求直观的图像显示。过去，一般采用分立的测量通道将高，直接从测量系统输出二维图像成为发展趋势。对光或电磁信号的处理和探测，如滤波、接收、混频，过去都是用分立元件方向。主要指置于真空室内诊断部件能适宜高温等离子体的环境，以及反应等离子体的辐射环境。这些部件包括置于边界处的固体探针和探圈、天线、反射镜等。应根据所研究的物理问题及现有实验条件灵活选择诊断方法，不应拘泥于已有的模式。在数字化技术发展之前，聚变实验研究的是各非常麻烦的事情。网络技术都很快用于聚变工程的和，并推动聚变研究的进展。系统一般包括数据的的物理量转变为模拟电信号。电信号在、传输、管理、客户服务。多数探测器将所探测过程中要经过光电器（图5--1。该器件由发光二极管和光电二极管及相应线性放大电路kV以上。用光纤直接将光学信号传入测量室。一般诊断信号的传送和处理在对物理过程的了解，特别是其时空关系，要求直观的图像显示。过去，一般采用分立的测量通道将高，直接从测量系统输出二维图像成为发展趋势。对光或电磁信号的处理和探测，如滤波、接收、混频，过去都是用分立元件方向。主要指置于真空室内诊断部件能适宜高温等离子体的环境，以及反应等离子体的辐射环境。这些部件包括置于边界处的固体探针和探圈、天线、反射镜等。应根据所研究的物理问题及现有实验条件灵活选择诊断方法，不应拘泥于已有的模式。在数字化技术发展之前，聚变实验研究的是各非常麻烦的事情。网络技术都很快用于聚变工程的和，并推动聚变研究的进展。系统一般包括数据的的物理量转变为模拟电信号。电信号在、传输、管理、客户服务。多数探测器将所探测过程中要经过光电器（图5--1。该器件由发光二极管和光电二极管及相应线性放大电路kV以上。用光纤直接将光学信号传入测量室。一般诊断信号的传送和处理在Nyquist采样定理，采样频率应大于最大10混叠（liaing题所需采样频率低，微观的湍流研究需要高的采样率。计算机对接收到的测量信号予以存贮和处理，在一次放电后显示重要数据，即所谓dischagewaveforms子的数据量越来越大，可达G（109）字节以上，迫切需要对数据进行压缩。也就是说，在一次放电拟生物神经运行机制的方法，有自我学习的机能。153原则上，对所原始数据的处理可以使用硬件和软件两种方法，论其优缺点各有活。而软件方法的缺点，除去耗时以外，主要来自数字信号不是连续的。5.2，磁测量1，磁探圈磁探圈又称磁探针，是一个小回形线圈，一般为多匝。当通过的磁通发生变化时，ddt。圈足够小时，可认为所包容的磁场近似均匀，NSB，得到输出电压为dBdtVNS（5-2-1）其中N为线圈匝数，S为每匝面积。它们的乘积NS是磁探圈的主要参数。1，要有高的灵敏度。这要求线圈的匝数多，面积大，即大的NS值；2，要对等离子体干扰小，如果放在真空室内的话。要有好的空间分辨率。频率响应，因为其时间常数L原则上，对所原始数据的处理可以使用硬件和软件两种方法，论其优缺点各有活。而软件方法的缺点，除去耗时以外，主要来自数字信号不是连续的。5.2，磁测量1，磁探圈磁探圈又称磁探针，是一个小回形线圈，一般为多匝。当通过的磁通发生变化时，ddt。圈足够小时，可认为所包容的磁场近似均匀，NSB，得到输出电压为dBdtVNS（5-2-1）其中N为线圈匝数，S为每匝面积。它们的乘积NS是磁探圈的主要参数。1，要有高的灵敏度。这要求线圈的匝数多，面积大，即大的NS值；2，要对等离子体干扰小，如果放在真空室内的话。要有好的空间分辨率。频率响应，因为其时间常数LR的壁厚要足够薄以保证频率响应。桶内进行静电。室这样的磁探圈可直接用于测量托卡马克等离子体的磁场涨落幅度。这是因为涨落的测量如果求其幅度，一般无须Fourier变换求其频谱时，须将幅度除以频率。器（a）和有源 器（b）器一般来说，我们使用磁探圈所要测量的不是磁场的随时间变化率，而是磁场本身这就要求我们对所输出的信号 从这样的线路输出的电压为线路实现。tt11V0CIdtRC(ViV0)dt（5-2-2）00RC相当长时，输出电压V0较输入电压Vi小得多，在等式右方可以忽略。我当们再将式（5-2-1）代入Vi，就得到154NSV0BRC（5-2-3）如上所述，只有当输出电压V0较输入电压Vi小得多时，也就是RC很大时，才可忽略而得到上式。这就必然损失了测量的灵敏度。所以必须适当选择RC值，一般在所器或称有源5-（R器也带来零点漂移等缺点。用磁探圈和器测量磁场需要定标，即灵敏度的矫正。灵敏度可根据其和匝半径，电流方向相同的圆线圈）两种。对于充分长的螺线管，其中的磁场的强度为0nI，NSV0BRC（5-2-3）如上所述，只有当输出电压V0较输入电压Vi小得多时，也就是RC很大时，才可忽略而得到上式。这就必然损失了测量的灵敏度。所以必须适当选择RC值，一般在所器或称有源5-（R器也带来零点漂移等缺点。用磁探圈和器测量磁场需要定标，即灵敏度的矫正。灵敏度可根据其和匝半径，电流方向相同的圆线圈）两种。对于充分长的螺线管，其中的磁场的强度为0nI，n为长度匝数，I为电流。赫姆霍兹线圈是平行放置电流方向相同的一对线圈，其间距离等于它们的半径R。其轴上中心点的磁场为0.7150NIR，N为每个线圈匝数。几种用于托卡马克的磁探圈：C1：逆磁探圈C2：Rogowski线圈C3：环向回线C4：Mirnov探圈C5：小磁探圈自探圈常用的磁探圈直接测量的是磁场的微分信号，须用器或数值。R，和负载电阻串联使用。在其电路方程中，电阻项可以dI忽略，VL 式（5-2-1）得到，dtVNSILdt B（5-2-4）L可在负载电阻上测量这个正比于磁场的电流信号。因为这一磁探圈的感抗要远大于其内2，逆磁线圈C1是逆磁线圈，用于测量等离子体柱的逆磁效应p（4-4-27）v，aB,2即存在等离子体时的环向磁通减去真空值，可得到1551（5-2-5）pI220p可以在有无等离子体两种情况用同一线圈测量环向磁通，将两次得到信号相减得到，BI1（5-2-5）pI220p可以在有无等离子体两种情况用同一线圈测量环向磁通，将两次得到信号相减得到，BIpp和磁通本身比较是个非变其方位。所以必须仔细设计测量方案。间较电流脉冲很长时，可以测量等离子体存在时的逆磁效应在环向场线圈内感应的电流IL，L为环向场线圈自感。方法之二是用一套在真空室外的线圈来测量逆磁效感及杂散场的效应。这是一种精度要求很高的测量。3，Rogowski线圈这种探圈用于测量脉冲电流。它实际上是一个头尾相联成环状的螺线管。设其截面通为dlndAB（5-2-6）lAdl为沿螺线管轴的线元。根据安培定律Il（5-2-7）Rogowski线圈模型其中I为这一回路所封闭的总电流，为螺线管内的材料的磁导率。因此不难得到nAI（5-2-8）器可以测等离5-2-2C2所示。具体使用时，还要串联一个单匝线圈沿线圈轴方向返回，以抵消和所测电流平行方向磁场的变化。我们注意，只要满足了上述近似要求，线圈在一般条件下所推公式（5-2-8）适用。如真空室有环向割缝，可将其绕在真空室以外测量等离子体电流。如果真空室无割缝则须置于真空室内，此时须有真空等方面的要求。这样的Rogowski线圈当然还可用于其它脉冲电流如通过各个磁体线圈的电流的测状推导适合的计算公式。156无感电阻上的分压来计算。4，测量位移的探圈（圆截面）对于圆截面托卡马克，多为中小型装置，一般可直接测量其水平和垂直位移。这一位移，是最外磁面，即等离子体表面的位移。对称探圈这是一种测量圆截面等离子体柱位移的探圈，可对称分布在赤道面上环11B以及BrRr 可以得到真空磁场Rr0Ip2rr r1a2[ln 1( 无感电阻上的分压来计算。4，测量位移的探圈（圆截面）对于圆截面托卡马克，多为中小型装置，一般可直接测量其水平和垂直位移。这一位移，是最外磁面，即等离子体表面的位移。对称探圈这是一种测量圆截面等离子体柱位移的探圈，可对称分布在赤道面上环11B以及BrRr 可以得到真空磁场Rr0Ip2rr r1a2[ln 1( )]cos}2R a 2 r2B(r)（5-2-9）0Ipa2r1Br(r)4R[lna(2)(1r2)]sin现在利用（5-2-9）前式，使用内外一对线圈测量极向磁场计算水平位移。设线圈分布在drd0rd，。代进这些数值后，得到两线圈所在位置的磁场。设两线圈的输出分别为Uout和Uin，设d1，仍只考虑到一阶量，得到水平位移U Ua2d d1d{out in[ln 1( )]}（5-2-10）U U 2R ad22out in但是必须知道的值，其中包含了等离子体内感lip。这些值可以估计，p二项是一个常数，与测量数值和位移的相对关系不变，可用于位置的实时。对称探圈（a）和余弦探圈（b）（5-2-5）测量这一径向磁场，和角向磁157场测量结果一起处理，计算等离子体的位移。ra（--）的前一式为B(a)0Ip(1acos)（5-2-11）R所以一阶量振幅和零阶量之比为aR，从此可以计算li21后，可以计算l。ppi5-2-5一个宽度和sin成比例的鞍形线圈当然也可从上下对称安装的探圈测量垂直位移。这时得到的公式和（5-2-9）类似，但没有涉及等离子体性质的第二项，结果只与测量信号之比有关。余弦探圈对称探圈的缺点是须经运算才能得到位移值，不适于实时反馈一类Rogowsi（场测量结果一起处理，计算等离子体的位移。ra（--）的前一式为B(a)0Ip(1acos)（5-2-11）R所以一阶量振幅和零阶量之比为aR，从此可以计算li21后，可以计算l。ppi5-2-5一个宽度和sin成比例的鞍形线圈当然也可从上下对称安装的探圈测量垂直位移。这时得到的公式和（5-2-9）类似，但没有涉及等离子体性质的第二项，结果只与测量信号之比有关。余弦探圈对称探圈的缺点是须经运算才能得到位移值，不适于实时反馈一类Rogowsi（m=1（也往往在真空室外s（524我们姑且不计环效应，即在（5-2-9）中只计及第一项，考虑直圆柱电流的向外位移，很容易证明处于角度d的线圈的相对于等离子体中心的新的半径为B0Ip(1cos)（5-2-12）d这一极向磁场沿小环圆周测出，再作Fourier变换就可得到这一位移。而余弦线圈就可看成用硬件实现这一Fourier变换。其原理和软件的圈在环内外侧的离子影响。环效应（指一阶效应）可用改进的绕法考虑在内。O4O25，测量磁面的方法F1F3对于大型装置或球形环，等离子体界面为非圆，上述单独测5-2-6（星号）的布置。每一处磁探圈有垂直方向和水平方向（R方向）一对。磁通环为单匝。F5O1Z(m)F6F4F2O3O5R(m)磁探圈和磁通环的布置pick-upcoils。它们所测的是极向磁场的时间微分，经158作用，所以测量磁面的探圈应置于真空室内。此外，探测频率在MHz以上的磁涨落的探圈也应置于真空室内。只有很特殊的情况（小型装置低参数短脉冲运转）才能将探圈置于等离子体内部，求（图52作用，所以测量磁面的探圈应置于真空室内。此外，探测频率在MHz以上的磁涨落的探圈也应置于真空室内。只有很特殊的情况（小型装置低参数短脉冲运转）才能将探圈置于等离子体内部，求（图527，一般使用无机的矿物绝缘线（mineral置于燃烧等离子体装置内的磁探圈及其引线，以及其它类似探测器，尚需有防辐射、冷却等措施。而且，可能要考虑电动力等复杂问题。置于真空室内的磁探圈因为环境的关系，置于等离子体内部的磁探圈不可能做成复杂的阵列。而空间分辨shot-to-shot方法。一些小型装置可以用这种方法得到了电流分布剖面。环向回线（磁通环）这些在极向不同位置布置的环向回线（图5-2-2的C3）所测量的是通过不同位置大环的总磁通变化，果在径向有空间分辨，它的空间梯度除以2R则为磁场。当等离子体处于平衡时，分布在不同极向位置的环向回线的测量信号相同，即为环电压。当等离子体的位置或形状或电流分可以得到等离子体“最后一个磁面”即表面的形状。一般来说，从真空室内的许多小磁探圈和大环方向的磁通环来测量局部极向磁场和磁通变化来计算最外磁面的形状和位置，也就是等离子体柱的位移有两种方法。第已有一些现成的程序如EFIT。使用这一程序时，往往需要提供关于等离子体压强方面的βp。使用两种磁面反演方法，都要考虑导电真空室上感应电流的影响。电流矩测量 使用环形等离子体界面的回路测量切向或法向磁场时，可以在测量值上叠加一个权重因子。例如上述余弦线圈就是用变化缠绕密度的方法加上一个cosgq，令qg，(q)0（5-2-13）即q是一个无旋的势场，g是它的势。用这个场产生一个等离子体内的电流矩的利用。15911jpqdV(B)qdV[(Bq)B(q)]dV00（5-2-14）1[(Bq)Bg]dV (BqgB)dS100可以用于任何 等离子体环的环形封闭曲 置的封闭线 左侧11jpqdV(B)qdV[(Bq)B(q)]dV00（5-2-14）1[(Bq)Bg]dV (BqgB)dS100可以用于任何 等离子体环的环形封闭曲 置的封闭线 左侧dV2RdS，令qef/R，从（5-2-13）式得到gf1R Rzg1fzRR（5-2-15）2f1f2f0R2 RR z2fg满足上列各式，则有1jpfdS(fBRgBn)dl（5-2-16）0BBn为法向磁场。在实验上分别用圈测量。Rogowski线圈和鞍形线为方便起见，可将f和g按幂级数展开，例如前几项为从第一组可得到1jdSBdl(5-2-17)p0即为安培定律。从第二组得到1jR2dS(R2B2RzB)dl(5-2-18)pn0右侧第二项为零，可简化为1R2R2Bdl(5-2-19)cIp0prRr的幂级展开，设计不同权重因子的测量线圈。这种办法比较适用于矩形真空室。160fg10R22zR44R2z24R2z8z3/36，Mirnov探圈和关联探圈（5-2-2C4）用于探测等离子体的低频（圆周上。主要测量极向磁场的扰动，也可测量径向场的扰动。6，Mirnov探圈和关联探圈（5-2-2C4）用于探测等离子体的低频（圆周上。主要测量极向磁场的扰动，也可测量径向场的扰动。研究其特征（5--n置安装探圈探测。Mirnov探圈16Mirnov探圈的输出波形。相邻信号之间有一个相移，角度旋转一周的相移为6。所以这是一个典型的m3Fourier分析，得m和相应的频率。Mirnov探圈信号和复原的扰动分布图但这样的测量不能直接输出某一模式的振动强度，须经数据处理才能得到。为了能Fourier分析，其方法就是将分布在不同极向角度的线圈根据一定规律串联。对于所探测到的m2的模，0180度的信号同相，和90度及270度的信号反相。所以，180度的线圈串联，m2的模式下，它们输出同相，振幅相加。所以m2m=3的模式（线圈数目最好是3的倍数如12个。这样的线圈通称关联探圈。当然还可以像余弦探圈那样，将线圈按照密度正比于cosm或sinm缠绕。这样可直接探测模数为m的扰动信号强度。这种方法适用于小型园截面装置。实际上，由于环效应等，特别是对于非圆截面装置的等离子体宏观不稳定性研SVD分析方法。7，导电真空室的问题如果使用置于导电真空室外的磁探圈测量真空室内等离子体的扰动，存在真空室的1615-2-10在内部产生磁场。从这等效回路可知外部磁场Bi1iB（5-2-14）e为壁的时间常数，其值为0b（3.4节。对于B为圆频率的内部磁场，i25-2-10在内部产生磁场。从这等效回路可知外部磁场Bi1iB（5-2-14）e为壁的时间常数，其值为0b（3.4节。对于B为圆频率的内部磁场，i2kkHzkHz以上的磁流体扰动，如果在真空室外测量，应属于后所以一般在真空室外探测，以避免置于真空室内带来的技术问题。1，一般置探圈于0b2真空室内。如果扰动频率很高，应使用另一壁的时间常数，w2它来自一般的趋肤深度公式，在w1时起作用。真空室壁电流等效回路8，其它测量磁场的方法迄今为止，在很多托卡马克等聚变装置上一直用磁探圈测量磁场。但是，磁探圈所的直接测量磁场的诊断方法。（521这种测量方法已经开始用于一些聚变装置。其缺点是力差，在强磁场时有非线性问题。能类似的还可以使用核磁共振探针。它利用核磁共振原理制扫描这个器件，测量共振频率，可以计算所处磁场的数值。还可利用电磁波的Faraday效应，使偏振光在光导中未广泛用于光学波段。这一方法的缺点是得到沿光导路径的量，尚须进行数据处理。以上几种替代的磁场测量方法的缺点都是设备较复杂，特别是安装在真空室内的条件下。1625.3，静电探针静电探针又称Langmuir探针，是固体探针的一种，广泛用于低温等离子体，也用于高温等离子体的边界区域或偏滤器内。它的理论基础是等离子体鞘理论。1，等离子体鞘（plasmasheath）浸入等离子体的微观电荷受到静电作用，即德拜。在宏观固体表面，存在流向固体表面的粒子流，高电位，并在等离子体内部产生一个对电子的位阱（图531。对容纳等离子体的容器的壁而言，电子流和离子流相等的条件维持调整了这个等离子体鞘。假设离子进入鞘区时的速度为u0，鞘区是无碰撞的，坐标零点取在等离子体内。按照能量守衡，忽略温度效应，在鞘内任意坐标有121(x)mu mue22（5-3-1）i0i2注意(0)0x0处(x)0。任意点的速度2eu u2（5-3-2）0mi从粒子守恒，有u0n0u(x)ni(5.3，静电探针静电探针又称Langmuir探针，是固体探针的一种，广泛用于低温等离子体，也用于高温等离子体的边界区域或偏滤器内。它的理论基础是等离子体鞘理论。1，等离子体鞘（plasmasheath）浸入等离子体的微观电荷受到静电作用，即德拜。在宏观固体表面，存在流向固体表面的粒子流，高电位，并在等离子体内部产生一个对电子的位阱（图531。对容纳等离子体的容器的壁而言，电子流和离子流相等的条件维持调整了这个等离子体鞘。假设离子进入鞘区时的速度为u0，鞘区是无碰撞的，坐标零点取在等离子体内。按照能量守衡，忽略温度效应，在鞘内任意坐标有121(x)mu mue22（5-3-1）i0i2注意(0)0x0处(x)0。任意点的速度2eu u2（5-3-2）0mi从粒子守恒，有u0n0u(x)ni(x)（5-3-3）2en(x)n1/2)（5-3-4）i02mui0ne(x)n0exp(ekTe，Poisson方程为dx2e2e) ]（5-3-5）002kTmuei0在很小时，展开至二阶项dx2e1ee3e( 22( 2))]0mu2 8mui0kT 2kTeei0（5-3-6）)e[( )23( )2]}1111e2n{( 0kT mu2 2 kT4mu2e i0ei0上式左方为在零点附近只能往下弯，所以等式两侧皆为负，从右侧一阶项要求离子初速度163muC（5-3-7）0 Sinine。上式即为Bohm判据。它与另一侧（壁）的niCS。这就是静电探针饱和离子流测量的基础。方程的解取决于另一侧的边条件，即壁处的电位。由它决定鞘的厚度。在悬浮电位条件下，这一电位应由朝向壁的电子流与离子流相等的条件决定：n（5-3-8）00mm 4kTiee得到鞘电位 kTelnmi（5-3-9）W2e muC（5-3-7）0 Sinine。上式即为Bohm判据。它与另一侧（壁）的niCS。这就是静电探针饱和离子流测量的基础。方程的解取决于另一侧的边条件，即壁处的电位。由它决定鞘的厚度。在悬浮电位条件下，这一电位应由朝向壁的电子流与离子流相等的条件决定：n（5-3-8）00mm 4kTiee得到鞘电位 kTelnmi（5-3-9）W2e e要靠电子流调节。对于氘等离子体， 。当壁电位由外界调节时，壁电位越We负，即鞘的高度越大，鞘的宽度也越大。一般鞘宽度为几个德拜长度。德拜长度0kTe（5-3-10）Dne2e等离子体鞘产生在所有与等离子体接触的固体表面，包括等离子体的固体探电位起点的离子流的速度为离子声速。因为离子必须以高于声速的速度进入等离子体鞘，在这一鞘的边缘电场不可能等于鞘（preseah。其中存在弱电场，以并形成离子流。预鞘不能用上述理论模型来描述，必须加进其它假设，如粒子不守恒（考虑中性粒子的电离，或者动量不守恒（粒子碰撞。这个预鞘的电场虽然很弱，但是由于长度的关系，也能造成大的电位降。这使得1，动能为T，仍认为能量守恒，该点位能为其负值。按照CSem2i11Boltzmann分布，该点离子密度应为中心区的exp()0.6065 。221642，单探针它的基本结构很简单，是一根难熔金属（钨、钼、钽）丝或棒，外面一般用陶瓷管静电。使用V（--和理想的并全一样。静电探针及其特性曲线实际特性曲线一般的特性曲线上的电压是实验上所加的电压等离子体相对于探针电路地线所连接的参考电极的电R之和532，单探针它的基本结构很简单，是一根难熔金属（钨、钼、钽）丝或棒，外面一般用陶瓷管静电。使用V（--和理想的并全一样。静电探针及其特性曲线实际特性曲线一般的特性曲线上的电压是实验上所加的电压等离子体相对于探针电路地线所连接的参考电极的电R之和534一般对等离子体呈负电位，UR就是等离子体鞘的高Vp为变量作图，曲线应在横向平移。静电探针和参考电极周围的电位分布在一个简化模型下可从特性曲线得到一些等离子体参数。使用这一模型须满足下列Maxwell分布；2，不存在强磁场；3，电子离子平均自由程较探针53点决定了使用的密度上限，第4点决定了密度下限。一般托卡马克等离子体的密度在使用范围之内。为解释特性曲线，设所加电压从正到负改变。当所加偏压很正时，探针周围形成电（见图5-3-5①）按照饱和电子流为运动论，这一I 1envS1enS2kTe（5-3-11）e0eeem42e其中ve为平均电子速度，S为探针有效接收面积。由于各种饱和流往往并不饱和（533当所加电压逐渐从很大的正值减小时，电子电流不再饱和，说明加在探针上的电压Vp开始为负。所以可以把探针特性曲线的中间部分和电子饱和流的转折点作为Vp的零点165（535（--5③我们可建立两个坐标系，测量系统用U表示，相对于等离子体的电位用V表示。二者的差为参考电极处的鞘高度UR。当所加偏压数值继续降低时，探针收集电流为电子电流和离子电流之差。但此时电子须克服探针的鞘层电位Vp（相对于②点，为负）才能达到探针表面。因为电子速度是Maxwell分布的，计及能量在Vp以上的数目，得到电子电流为II eVp)（（535（--5③我们可建立两个坐标系，测量系统用U表示，相对于等离子体的电位用V表示。二者的差为参考电极处的鞘高度UR。当所加偏压数值继续降低时，探针收集电流为电子电流和离子电流之差。但此时电子须克服探针的鞘层电位Vp（相对于②点，为负）才能达到探针表面。因为电子速度是Maxwell分布的，计及能量在Vp以上的数目，得到电子电流为II eVp)（5-3-12）e e0kTe总探针电流为II eVp)I（5-3-13）e0i0kTeIi0为饱和离子流。不难得到电子温度为d(eVp)(eU)T（5-3-14）edln(IIdln(II))i0i0即从测量半对数坐标特性曲线中间部分的斜率计算电子温度（图5-3-5②和④之间。这一计算无须知道横轴的零点，所以使用实验所加电压得到的特性曲线数据即可。。它不同于形状等（如壁）上的鞘，因而开路探针的悬浮电位一般也不等于参考电极电位。对静电探针特性曲线的解释探针特性曲线左方，相应于电压很负的情况，属于纯的离子饱和流（534⑤，离子流是以离子声速向探针表面的。相应离子电流为1662kTeI （5-3-15）i0 imi但实际上，测量得到的离子饱和流较这个值小。如果认为离子来自等离子体鞘的边（5-3-15）1/2。或者说，按照（5-3-15）式得到2。（5315S就状，而且饱和离子流及饱和电子流都与所加电压有关。在实验中，可先从饱和离子流的值和中间一段计算电子温度Te，然后再计算离子密度，并从电中性条件得到电子密度（忽略高电离态杂质时认为二者相等。从探针特性曲线还可以得到参考电极处的鞘电位UR和悬浮电位VF（532kTeI （5-3-15）i0 imi但实际上，测量得到的离子饱和流较这个值小。如果认为离子来自等离子体鞘的边（5-3-15）1/2。或者说，按照（5-3-15）式得到2。（5315S就状，而且饱和离子流及饱和电子流都与所加电压有关。在实验中，可先从饱和离子流的值和中间一段计算电子温度Te，然后再计算离子密度，并从电中性条件得到电子密度（忽略高电离态杂质时认为二者相等。从探针特性曲线还可以得到参考电极处的鞘电位UR和悬浮电位VF（535。但是由于Vp的零点，即曲线拐点的位置难于准确确定，所得到这些参数不很准确。fev)（未归一化2/2jed cossindvf(v)dv3nev3f(v)dv（5-3-16）ee0 0vv1其中速度 下限是相当于鞘电位V的速度。以电子总能量W mveV作为新变2pep2量，得到(WeVp)f(W)dWje（5-3-17）m2eeVp分布来说，就得到前面（5-3-12）式，对于一般速度分布，微分两次得到m2d2I) e e（5-3-18）2e3SdU2UVpUVpIeeS为Druyvesteyn公式f(eV)可以得到况下。1673，双探针VR静电探针（图536，简称双探针。它是用两个同样的静电探针安装在空间接近的位置，都性曲线应是相对于原点双探针的干扰也比单探针小得多。而中间段两探针的电流应遵循（5-2称，两饱和离子流相等。Ie1Ie2exp(eU)kTe（5-3-19）eU取对数后为lnIe1lnIe2kT3，双探针VR静电探针（图536，简称双探针。它是用两个同样的静电探针安装在空间接近的位置，都性曲线应是相对于原点双探针的干扰也比单探针小得多。而中间段两探针的电流应遵循（5-2称，两饱和离子流相等。Ie1Ie2exp(eU)kTe（5-3-19）eU取对数后为lnIe1lnIe2kTU微商，e1dIe11dIe2 e（5-3-20）Ie1dUIe2dU IIi0Ie2Ii0I代入，得到Ie1dI e I2I2 i0 （5-3-21）dV kTe 2Ii0(dI)eIi0（5-3-22）I0dU2kTe很容易从零点附近曲线的斜率得到电子温度，无须对纵坐标取对数。对于单探针和双探针，可用饱和离子流可以作为等离子体密度的直接测量，因为边线测其斜率，不利于电子温度涨落的测量。有一种三探针方法可以直接测量电子温度。1684，三探针（53U2U15-3-6按照（533I eV2)I I(5-3-23)e0i0 i4，三探针（53U2U15-3-6按照（533I eV2)I I(5-3-23)e0i0 i0kTe得到ln2lnIi0Ie0（5-3-24）3（531时，有Ii0Ie0exp(eVF)kTe（5-3-25）V2VF为零点，e(V2VF)ln2（5-3-26）（5-3-23）和（5-3-25）中的V2，VF都相对于等离子体，但是它们的差可以用实验值。可以直接得到电子温度e(U2UF)kT（5-3-27）eln2如果电压V就是eVU2-U1I1几乎完全是离子饱和流，其中（5-3-23）成立。（531子流和电子流之和：eVeVp)exp(1)]I1enSmexp(1)enSC[miexp( Spemee S4kT2kT2（5-3-28）eeiee169其中Vp是探针鞘电位，由于所测的是等离子体鞘电位和Vp之和，当电流为零时，VPVFURUFUR就是等离子体鞘电位或称等离子体电位，UF为所测悬浮电位。得到[lnm其中Vp是探针鞘电位，由于所测的是等离子体鞘电位和Vp之和，当电流为零时，VPVFURUFUR就是等离子体鞘电位或称等离子体电位，UF为所测悬浮电位。得到[lnmi1]UT（5-3-29）R F2e Fee称为鞘电位降系数，对氢等离子体，2.9。它也与探针UF可以为正值或负值，在图5-3-5（5-3-29）和在讨论一般鞘的理论时的（5-3-8）和（5-3-9）的区别是在此处考虑到鞘边缘处离子密度的减少。（5--9（5-3-29）式的值略低。5，静电探针的使用使用静电探针要注意一些实际问题。很重要的是污染问题，即探针表面被有机物污外，在使用过程中可用离子轰击清除污染。具体方法是在使用前加上直流负高压放电几分钟。磁场会造成测量结果的偏差。在磁场不很强时，对离子饱和流的影响不大，仍可用小。在强磁场的条件下最好选探针。静电探针可测量多种等离子体参数，但只能用于等离子体边缘区。其使用范围取决10ms量级。除去静电探针以外，还有一些伸进等离子体的固体探针，如发射探针和马赫探针，等离子体的边界区域或偏滤器内。6，其它固体探针发射探针（538（2000）温度，产生电子发射流。当其偏压为正时，发射电子又返回探针。偏压低于等离子体电位时，发射电子流迭加在离子收集流之上，而且较离子收集流大得多，并随灯丝加热电流增加而增加（539（531）变为II eVp)II（5-3-30）e0i0 emkTe发射探针构造和外形170Iem为电子发射流。随这一电子发射流的增加，悬浮电位（I为零的电位）越来一种更直接的测量等离子体电位方法。马赫探针构造Iem为电子发射流。随这一电子发射流的增加，悬浮电位（I为零的电位）越来一种更直接的测量等离子体电位方法。马赫探针构造悬浮电位越来越接近等离子体电位。（--1。离子在预鞘中被 到声速Cs达到探针。预鞘的长度为L(2a)2C/D，其中a为探s DL的区域内无其它物体存在，预鞘为自由预鞘区。在自由预鞘区条件下，可以探测与绝缘层垂直的宏观。马赫探针两侧的等离子体鞘和预鞘图--12（531（（533（）如果等离子体动面接受粒子流u和背对的粒子流d可以得到M。从流体方程得到M（5-3-31）另一和这结果近似的表达式为171/d)（5-3-32）M1（/d)（5-3-32）M1（531。一般认为，上述模型可以用在探测托卡马克等离子体的环向测量，因不符自由预鞘区条件。，但不能定量用于极向（regardingfieldenergyanalyser）是伸进等离子体的一个一端开口（--3φb的偏压栅。使能量高于这一电位的离子才能进入。对于一个稳态等离子体，这个栅极尚有一加负电位-φs的（电位φc。压φb很低时保持不变，所有入射离子进入收集器。只有当扫描电压达到等离子体鞘电位后，等离子体鞘消失，离子流才随扫描电压的增加而减少。这种离子能量分析器可用来测量等离子体边界处或偏滤室内的离子能量分布及温度涨落。离子能量分析器的结构和工作原理α离子闪烁探测器聚变反应产生的高能α粒子的回旋半径为厘米量级，可以在等离子体边界处直接测量其回旋半径和投射角分布。这一探测器是一个小方盒（5-1α/投射角二维分布。探测器置于真空室内，赤道面外下侧，离子磁场漂移方向。图5-3-14 子闪烁探测器1727，静电探针探测涨落信号经常用静电探针测量等离子体的涨落。因为它可以测量密度涨落和电位涨落，都属敏感（因为是平方根依赖关系。所测量的悬浮电位涨落也不等同于等离子体电位的涨落（539监测温度的涨落。在测量快速变化的信号时，探针的时间响应取决于周围空间电荷的平衡时间。在离7，静电探针探测涨落信号经常用静电探针测量等离子体的涨落。因为它可以测量密度涨落和电位涨落，都属敏感（因为是平方根依赖关系。所测量的悬浮电位涨落也不等同于等离子体电位的涨落（539监测温度的涨落。在测量快速变化的信号时，探针的时间响应取决于周围空间电荷的平衡时间。在离MHz的涨落信号。流是一种广谱的时空涨落，其特点是kk。为探测湍流，须进行空间相关研究，在测量上，须采用探针阵列。5-3-14Caltech上的静电探针阵列（B为磁场方向和一维探针阵列所测离子饱和流Caltech上使用的一维和二维静电以至于不能测出实际的物理图像，但是目前仍经常用于等离子体参数较低的装置。三层静电探针实际上，使用少得多的探针数目，就可以测量某一方向上的相关。在很多实验上，5-3-15也可测量极向的相关。从这种两点测量也可得到它们连线方向的电场。1-10cm-1。探针设HL-2A装置上测量带状流的三层探针。1735.4等离子体的辐射探测1概述等离子体的辐射探测，特别是光学波段的发射光谱诊断，是发展比较早的诊断项目X射线的波段，之一。从等离子体中发射的光谱由连续谱和线状谱子温度、等离子体旋转、安全因子测量等诊断项目。装置上的发射光谱C5-4-1。C的电离次数、化学符号、光谱符号和光谱类型的关系渐向短波移动，主要探测区域为紫外、真空紫外和5.4等离子体的辐射探测1概述等离子体的辐射探测，特别是光学波段的发射光谱诊断，是发展比较早的诊断项目X射线的波段，之一。从等离子体中发射的光谱由连续谱和线状谱子温度、等离子体旋转、安全因子测量等诊断项目。装置上的发射光谱C5-4-1。C的电离次数、化学符号、光谱符号和光谱类型的关系渐向短波移动，主要探测区域为紫外、真空紫外和X射线，轻杂质C、O被完全剥离，有更高电离态离子（主要是金属离子）的光谱被探测到。5-4-2。174电离次数化学符号光谱符号光谱类型０CCI原子１C+CIIB离子２C2+或C++CIIIBe离子３C3+CIVLi离子４C4+CV离子５C5+CVIH离子６C6+（C核）电磁波谱，光子能量、波长、频率、探测原理、元件类型和分光方法5-4-1Z的轻杂质（CZ不同区域的光谱行为和主要探测项目也有所不同。以现代大型装置为例，列表如下。大型装置上不同区域的电离状态和主要诊断项目从等离子体的辐射机制来看，从电子在跃迁前后的状态可分类为：自由态→自由态：轫致辐射、回旋辐射态→自由态→态：线辐射态：复合辐射、双电子辐射和多原子及其离子可低，可视为光学薄，即不存在发射光子的自吸收。光谱诊断属于非接触测量，特别是光谱，对等离子体无任何干扰，设备简单。机制（如镜面污染）的措施。175区域辐射波段H,He低Ｚ杂质高Ｚ杂质主要诊断边缘区电磁波谱，光子能量、波长、频率、探测原理、元件类型和分光方法5-4-1Z的轻杂质（CZ不同区域的光谱行为和主要探测项目也有所不同。以现代大型装置为例，列表如下。大型装置上不同区域的电离状态和主要诊断项目从等离子体的辐射机制来看，从电子在跃迁前后的状态可分类为：自由态→自由态：轫致辐射、回旋辐射态→自由态→态：线辐射态：复合辐射、双电子辐射和多原子及其离子可低，可视为光学薄，即不存在发射光子的自吸收。光谱诊断属于非接触测量，特别是光谱，对等离子体无任何干扰，设备简单。机制（如镜面污染）的措施。175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区X-ray完全电离完全剥离部分／完全剥离Ｘ线能谱2，辐射探测器件在毫米波段，最基本的探测方法是用点接触半导体二极管进行检波，将所得信号进信号。在红外波段，须用半导体的内光电效应来探测。所谓内光电效应指入射光子和半导光子有一定能量，所以这样的器件也有一个长波限。但低温会使这长波限增加。所以多工作在低温（液光导型探测器。它利用光子激发的载流子引起的半导体的电导率的变化来探测入射光功率，可用于红外和毫米波。常用的器件有InSb，H2，辐射探测器件在毫米波段，最基本的探测方法是用点接触半导体二极管进行检波，将所得信号进信号。在红外波段，须用半导体的内光电效应来探测。所谓内光电效应指入射光子和半导光子有一定能量，所以这样的器件也有一个长波限。但低温会使这长波限增加。所以多工作在低温（液光导型探测器。它利用光子激发的载流子引起的半导体的电导率的变化来探测入射光功率，可用于红外和毫米波。常用的器件有InSb，H5-4-3光导型探测器的使用光伏型探测器利用光生伏打效应工作。它要求光照面附近有一个势垒，pn结或Schottky势垒，来形成电场分离光子激发的电子-空穴对，从而在势垒两侧产生电势差。此外，广泛用热效应制成器件进行红外探测，例如热电偶。还有一种热释电探测器这些热效应探测器件不但可用于红外探测，而且由于光谱范围非常广，也用于等离子体总辐射功率的探测研究能量平衡。其缺点是响应时间长。为减小响应时间，通常将这样的器件做成单元体积很小的列阵。于亚毫米波段。封装在真空管内。光阴极由脱出功很低的金属或半导体制成，工作时加负偏压。当光入射到光阴极时，如果其能量超过光阴极的脱出功，就使阴极发射电子。电子在电场作用下向阳极运动，为阳极收集。当电压超过一定值时，阳极收集的电流与电压无关，而与光通量成正比。光电二极管输出的电流比较弱，须经放大，增益也较低，信噪比低。但其时间响nsps。光电倍增管（photomultipliertube,PMT）的原理和光电二极管相似，但其光阴极和阳极间加了若干二次电子倍增极（图束，最后在阳极上得到相当强的5--4。从光阴极到二次电子倍增极再到阳极，所在各个二次电子倍增极上产生不断放大的二次电子108。光电二极管和光电倍。其17610nm。光电倍增管的结构和工作原理在真空紫外波段，也可用荧光物质水杨酸纳的甲醇或乙醇溶液涂在光的接收面上，350-550nm的可见光，再用其它方法接收。有两种办法光电倍增管的信号。一个是模拟，就是认为输出的电流，称为光子计数法。当入射光很弱时，适用光子计数法。光子计数法有稳定性高、信噪比高的优点。光子计数法测量能谱实际上，光子计数法用于高能粒子和射线探测。这就需要将高能粒子或射线的能量转换为可见光。办法是在光电倍增管前放一块闪烁体（一般用硅油耦合。入射的高10nm。光电倍增管的结构和工作原理在真空紫外波段，也可用荧光物质水杨酸纳的甲醇或乙醇溶液涂在光的接收面上，350-550nm的可见光，再用其它方法接收。有两种办法光电倍增管的信号。一个是模拟，就是认为输出的电流，称为光子计数法。当入射光很弱时，适用光子计数法。光子计数法有稳定性高、信噪比高的优点。光子计数法测量能谱实际上，光子计数法用于高能粒子和射线探测。这就需要将高能粒子或射线的能量转换为可见光。办法是在光电倍增管前放一块闪烁体（一般用硅油耦合。入射的高度分析仪，对不同高度的脉冲计数，就可以得到入射粒子或射线的能谱（图5-5。其能量绝对值可用已知能量放射源校准。上述真空光电管和光电二极管难于小型化用于空间分辨。现在的光电二极管阵列（photododearra,PA）是一种固体器件（--是一个pn结阵列。当一定频率的光入射时，光子在pn结形成的势垒附近产生电子空穴对。电子空穴对发以决定光强空间分布。PDA可以是一维或二维的。光电二极管结构和工作原理177较，它的主要优点是在红外有很高的量子效率。沿光电倍增管的原理发展的多通道板（multichannelplate,MCP）电子倍增器也弥补器适用于紫外。在处镀适当材料的膜可以扩展长波限。很多直管多通道式电子倍增器可以并联形成多通道板。这样的器件主要用于像增强器（imagentensiie较，它的主要优点是在红外有很高的量子效率。沿光电倍增管的原理发展的多通道板（multichannelplate,MCP）电子倍增器也弥补器适用于紫外。在处镀适当材料的膜可以扩展长波限。很多直管多通道式电子倍增器可以并联形成多通道板。这样的器件主要用于像增强器（imagentensiier。它的优点是：小型高增益；二分辨；高速响应；可用于磁摄软X射线的发射图像。5-4-7软X射线成像设备coupleddevice）是一种用电荷量来表示不同状态的动态金属-是数据的件。CCD也可用于能量较低的X射在很多日常和研究领域，也通常用作光谱仪的线的探测。在X射线波段，传统的X射线探用气体探测器。它利用X射线在气体中产生的电离电荷来射光子处于很接近阳极时才导致电离，所以输出信号与入射光子能量无关。放大倍数与外加电压、气体成分与压强有关。一般工作电压几千伏，放大倍状态，单光子。正比计数器178（或锗）单晶制成的锂漂移型探测器。以上）常用的闪烁探测器已在前面结合光电倍增管叙述。在一些测量中需要发光强度的绝对定标，从而需要标准光源。这在可见和紫外波段tungstenrbbonlap3000K常常使用反射率。将标准光源置于其中，从小窗口发出的辐射更接近均匀的黑体。在发射光谱诊断中，空间分辨测量是重要的。在早期，经常使用转镜（549近年来则使用各种多道探测设备。如果脉冲等离子体的放电重复性好，列看成系综，进行重复测量，即所谓它诊断项目（或锗）单晶制成的锂漂移型探测器。以上）常用的闪烁探测器已在前面结合光电倍增管叙述。在一些测量中需要发光强度的绝对定标，从而需要标准光源。这在可见和紫外波段tungstenrbbonlap3000K常常使用反射率。将标准光源置于其中，从小窗口发出的辐射更接近均匀的黑体。在发射光谱诊断中，空间分辨测量是重要的。在早期，经常使用转镜（549近年来则使用各种多道探测设备。如果脉冲等离子体的放电重复性好，列看成系综，进行重复测量，即所谓它诊断项目装置的转镜扫描设备3，连续辐射测量等离子体的连续谱辐射有轫致辐射、复合辐射和双电子辐射。轫致辐射是带电粒子（或碰撞造成的。其体积辐射功率，或称辐射功率密度可表为Z2nne2kT ei()3( e)1/2Pb4 mmc3h3e0e51037Z2nnT1/2（5-4-1）eze51037Zn2T1/2(W/m3)ee为keV。对于几种离子的情况，使用有效电荷数：其中Z为离子电荷，温度nnz2z2kkkkk k Z（5-4-2）nzeffnkkekZ，ZZeff的意义为离子携带电荷数。但是在温度较高时，高速电子可能穿透电子而直接与核作用。所以在这种情况下，Z应理解为核电荷数。有效电荷数为代表杂质水平的重要等离子体参数。正常放电情况下，轻杂质（C，O）应（金属）应在百分之一以下，Zeff2以下。179等离子体的轫致辐射可从可见区到X射轫致辐射的频谱很宽。采用量子力学处理。频谱可写为n2Ze28m)eh/kTe effe)1/2g(,T)3(e(（5-4-3）4 em2c3330eeGaunt等离子体的轫致辐射可从可见区到X射轫致辐射的频谱很宽。采用量子力学处理。频谱可写为n2Ze28m)eh/kTe effe)1/2g(,T)3(e(（5-4-3）4 em2c3330eeGauntg(,Te)是频率和温度的缓变函数。因此频谱主要取决于因子其中的me1/2h/kT() eeee强绝对测量时计算电子温度，也无须定标。一是轫致辐射功率正比于电子密度平方，523nm2nm长的区间一例。X射线谱计算电子温度Zeff。因此可以由连续谱的X决定有效电荷数的空间分布。复合辐射5-4-11种连续辐射，即复合辐射造成的。这种涉及态-自由态辐射复合OeO*Oh其中间态有一个电子跃迁。双电子辐射过程180如下的过程称双电子复合dilectonicrcobintion：OeO**O如下的过程称双电子复合dilectonicrcobintion：OeO**Ohh1 2被俘获也处于高激发（5--2子跃迁，故称双电子复合。以上两种辐射都是连续谱，但不是光滑的连续谱。辐射光子能量为自由电子的能量与相应电子在原子或离子内的5-4-135-4-14C离子连续谱的一计算电子温度。C离子的连续谱辐射4，特征线辐射和日冕模型原子存在电子因而存真空紫外或软X射线区。特征线辐射传递非常多的关于等离子体参数的信息。HαDαn=3→2跃迁一种边缘扰动模式ELMH/D各种杂质的不离态按照等离子体温度FTU装进行绝对定标。FTUKrAr高离化态谱线沿小半径分布，黑线和灰线为两种模型的数值模拟计算结果181平衡类型有二，相当于两种情形。一种是日冕模型oronalequiibrium，另一为局部热平衡模型（oclheralequiibrum，TE靠碰撞复合向低能态跃迁。在托卡马克和仿星器装置中，由于密度较低、温度高，在很多情况下适用日冕模型。在日冕模型中，某一电离态的离子数目nz随时间变化的速率方程为dnzdtn[n 平衡类型有二，相当于两种情形。一种是日冕模型oronalequiibrium，另一为局部热平衡模型（oclheralequiibrum，TE靠碰撞复合向低能态跃迁。在托卡马克和仿星器装置中，由于密度较低、温度高，在很多情况下适用日冕模型。在日冕模型中，某一电离态的离子数目nz随时间变化的速率方程为dnzdtn[n n s n(s)]（5-4-4）e z1z1 z1z1 z z z当然对原子和最高电离态，右方只存在两项。在（5-4-4）中自发辐射复合速率系数z和离态的（5-4-16。可以证明平衡时z1nznz1（5-4-5）sz比较精细的模型尚须考虑输运和电荷交换的影响。5416/Ez)1/2Ez(Ts105 e exp()(cm3/s)（5-4-6）z(Ez)3/2(6.0T/Ez)Te eEz为电离电位（。辐射跃迁速率系数可近似写为5.21014Z(Ez/T)1/2 ez（5-4-7）[0.430.5ln(Ez/T)0.469(Ez/T)1/3](cm3/s) e ee2.71013Z2T1/2(cm3/s)（5-4-8）ze182对于不同成份不离态的两种系数也有详细图表可查。日冕模型中假设碰撞激发和自发辐射去激发相平衡（图5416，其中m和1m分别为基态和一激发态间的碰撞激发速1m对于不同成份不离态的两种系数也有详细图表可查。日冕模型中假设碰撞激发和自发辐射去激发相平衡（图5416，其中m和1m分别为基态和一激发态间的碰撞激发速1mnmmnnm/m（5-4-9）nm其中m1/mnm激发态的nm。度的函数。所以对某一种杂质，可以制成不离态份额随电子温度变化的图，例如图5-4-17（N杂质。而且，不同温度下的各种辐射功率密度，除回旋辐射与磁场有关外，5-4-18（C杂质。5-4-18C杂质不同类型辐Pr复合辐射，Pb轫致辐射，Pt总辐射离态沿小半径的分布（下）和根据日冕模型的计算（上）1835-4-19为PLTFe型得到的计算结果和测量数据的偏离主要因为粒子径向运动未在模型中考虑。谱线分支比方法（branchratiomethod）在不同的平衡模型下，可以用同一杂质的两强度比，称为分支比方法。以日冕模型为例。从m激发态跃迁到基态的谱线（图5-4-16）的强度可写为h1m1mnm，5-4-19为PLTFe型得到的计算结果和测量数据的偏离主要因为粒子径向运动未在模型中考虑。谱线分支比方法（branchratiomethod）在不同的平衡模型下，可以用同一杂质的两强度比，称为分支比方法。以日冕模型为例。从m激发态跃迁到基态的谱线（图5-4-16）的强度可写为h1m1mnm，mnm可从（5-4-9）得到为1mm。所以，从I1mm，p两激发态向同一基态跃迁的谱线强度比为I1m（5-4-10）I1p c1p1ppm其中因此从一对谱线的强度比可以得到电子温度。这样的温度也称为激发电子温度。一般来说，电离态和激发态的分布全符合日冕平衡或局部热平衡，与具体谱线有关。一般情况下，应同时考虑自发辐射和碰撞复合，称为碰撞辐射模型（collisionalradiativem三条谱线是728nm（31S→21P）707nm（33S→23P）668nm（31D→21P）从氦谱线强度比决定等离子体温度密度。728nm/707nm，虚线：668nm/728nm因激发态 的碰撞，在高密度等离子体中较强。因为是电场的相互作用故有此名。Zeeman效应是磁场中谱线的Zeeman500nm的谱线的Doppler展宽。Doppler展宽它的发生机制是由于离子视向热运动的Doppler效应。因此，通过谱Maxwell速度分布下，DopplerGauss线型184()2mc2I()I(0)exp[ 0 i ]（5-4-11）20kTi其半高宽（fullwidth()2mc2I()I(0)exp[ 0 i ]（5-4-11）20kTi其半高宽（fullwidthathalf5-4-21）为um,FWM（图A7.68105（5-4-12）1/2mc2i谱线半高宽的定义A为离子质量数，kTieV为宽以计算离子温度。。在托卡马克中，可以测量杂质线的Doppler展Stark源于邻近粒子与辐射原子或离子间的碰撞，或库仑相互作用。设两次连续碰撞的平均间隔时间为，那么相应的谱线展宽为1/（5-2Lorentz线型)（5-4-13）0Stark展宽模型1020m-3以上密度的等离子体，StarkLorentz线型，可用以下公式计算电子密度n8.02103/2(m3)/18（5-4-14）e1/2 1/2其中系数α弱依赖于温度、密度。ToreSupra上测量DβStark效应，计算得到波场的强度和方向。（convolution）I()I1()I2()d()（5-4-15）再用反卷积程序分离出两种线型。Doppler位移从视向速度引起的谱线Doppler位移可以计算原子后离子的宏观运动速度。谱线位移和视向速度的关系是185/v/c（5-4-16）在托卡马克中，Doppler位移主要用于测量等离子体的极向旋转。这时，可以同时测量上/v/c（5-4-16）在托卡马克中，Doppler位移主要用于测量等离子体的极向旋转。这时，可以同时测量上下两个弦上的谱线位移，它们的差就为2，而不必和无位移的标准谱线比较。一般来说，Doppler位移对测量精度的要求高于Doppler展宽测量。托卡马克等离子体的旋转速度在每Doppler位移。目前的光谱技术，相元的分辨率可在5-4-23DIIID上所测HeII468.6nm谱线的轮廓和位移。其中H模谱线的相对红移来源于极向旋转速度的不同。在这一装置上，L0-10km/sH15-30km/s。HeII468.6nm归一化谱线轮廓DIIID装置上，选用氦作工作气体，发现在H模运转时边界区的主离子的极向旋转和杂质离子旋转方向（质子）的运动。在CT-6B装置上用单色仪分光,，用像增强器和光电二极管阵列接收信号，用氢灯作波长标准，观4，其它类型辐射测量辐射测量一词一般指全波段或某一波段的所有类型辐射功率的测量，用以研究等离子体的杂质成分、能量平衡和输运以及宏观不稳定性。软X射线辐射有单道（或多道）测量和二维成像两种。单道或多道测量用于测量电Abel变换，而认为接收的辐射的主要成份来自热的 部分，因为轫致辐射功率密度正比于n2T（见式（541e e1nm。比这再短波长的X射线使用相当于光栅的晶体作分光器件。其晶格常数a相当于光栅刻距。当光asink，k有聚光作用。另一种测量能谱的方法是脉冲幅度分析。186（5-4-24Z（如铍膜）可见光。探测器一般用响应快的半导体器件，如金硅面垒探测器。以上几种诊断一般不做绝对强度的标定。HL-2A装置上软（左）和辐射量热器（右）的分布为研究能量平衡过程，用辐射量热计（bolometer）探测等离子体的能量X由于作用基于热效应，这些器件都作的很小，但仍有较长的响应时间。一般也用小孔成像（5-4-24Z（如铍膜）可见光。探测器一般用响应快的半导体器件，如金硅面垒探测器。以上几种诊断一般不做绝对强度的标定。HL-2A装置上软（左）和辐射量热器（右）的分布为研究能量平衡过程，用辐射量热计（bolometer）探测等离子体的能量X由于作用基于热效应，这些器件都作的很小，但仍有较长的响应时间。一般也用小孔成像。量热计的温升T的变化可以写作dTT（5-4-17）C cdtPin为入射功率，C为量热计热容量，c正比。16absoluteextremeultraviolet,AXUV)硅光二极管阵列探测辐射功率。这种探测器在很宽的能量范围有很平的响应。一个辐射量热计列阵需要很多引线，引起不便。目前往往使用红外照相的方法监测探测阵列（薄金属箔）的温升（--5高速照相是一种主要的等离子体诊断。传统的转镜/胶片高速照相设备有很高的时CCD相机发展很快，在许多装5-4-265-4-27MAST上ELM模发生时的，了一种丝状结构。使用高速照相，通过相应的识别软件，可以计算等离子体截面的形状和位置。和电磁测量比较，这种测量方法可以避免电磁干扰，可用于截面和位置的。187使用高速照相和可见光波段的滤光片结合可以很方便地研究一些物理问题。干10nm。和光谱仪比较，有能量利用率高，可以二维成像的优点。结合脉冲吹气的吹气成像（gaspuffingimaging,GPI）可用来研究边界区涨落现象。弹丸注入时的高速照相MAST上的高速照相X射线的探测X使用高速照相和可见光波段的滤光片结合可以很方便地研究一些物理问题。干10nm。和光谱仪比较，有能量利用率高，可以二维成像的优点。结合脉冲吹气的吹气成像（gaspuffingimaging,GPI）可用来研究边界区涨落现象。弹丸注入时的高速照相MAST上的高速照相X射线的探测X射线主要来源于逃逸电子（runawyelectrns而形成高能的逃逸粒子。在实验上，很多情况会产生逃逸电子，如密度的减少、杂质的增加。逃逸电子X射线。因为其强的穿透能力，是所有测量的干扰源。测量硬X射线的能谱可以知道逃逸电子的能量分布。X当然逃逸电子和等离子体内部的离子碰撞也会产生应X射线波段的轫致辐射，如果X射线被淹没于真空室壁上的信号，这样的测量很使壁上发出的X射线不被探测器接收到。5-4-28等离子体中的电子受力为e(EvB)。一般热电子的扩散主要受电场涨落的影响；而对于速度高达几十keV以上的逃逸电子主要是磁场涨落决定扩散系数。为研究磁涨逃逸电子从边界处发出的硬X射线的变化可以推导扩散系数，进而推算磁场涨落的幅度。1885，主动光谱接收的等离子体发射光谱虽然携带了不少信息，但是最大缺点是缺乏好的空间激发某种谱线予以测量以获得等离子体参数。这种干扰，主要采用激光束或原子束。使用激光束的主动光谱的代表是激光诱导荧光（laserinducdfluorecence,LIF（5，主动光谱接收的等离子体发射光谱虽然携带了不少信息，但是最大缺点是缺乏好的空间激发某种谱线予以测量以获得等离子体参数。这种干扰，主要采用激光束或原子束。使用激光束的主动光谱的代表是激光诱导荧光（laserinducdfluorecence,LIF（--31的原子或离子密度。由于每一组分的探测要求特定的入射波长，一般用可调频的激光做光源，5-4-30限于探测原子和未完全剥离离子，在聚变装置中的作用有限。荧光诊断原理主动光谱中5-4-30JET上的中性几种杂质谱线，可以进行强度、谱线轮廓、位移的分析。JET上的电荷交换光谱诊断设备189注入束有这样几种。第一种称热粒子源。最早使用锂原子束，将金属锂置于炉内加热，蒸发的锂原子从小孔逸出，形成锂束。其速度为热运动速度，能量为0.1eV左右，且（5.39eV，对于大型装置而言，其原子束往往不能的是超声束，方向性较原子束为优。第二种称超热粒子源，即使用激光吹气注入束有这样几种。第一种称热粒子源。最早使用锂原子束，将金属锂置于炉内加热，蒸发的锂原子从小孔逸出，形成锂束。其速度为热运动速度，能量为0.1eV左右，且（5.39eV，对于大型装置而言，其原子束往往不能的是超声束，方向性较原子束为优。第二种称超热粒子源，即使用激光吹气10。这一方法仅能产生短脉冲粒子束（100μs态物质产生。这种方法经常用于杂质，特别是金属杂质输运研究。第三种为原子束电离后，再中性化，形成诊断用高能中性粒子束。其能量可达10左右，可渗透相当深的距离并具有好的空间分辨。使用原子束的主动光谱分为束发射光谱（beamemissionspectroscopy,BES）和电荷交换复合光谱（chargeexchangerecombinationspectroscopy,CXRS）两种。束发射光谱指需准确知道束强度。这有两种办法，一是测量束的辐射线强度，如H、D束Balmer系谱线强度，二是根据模型计算其沿途径的衰减。电子密度轮廓。这是因为锂原子的电离和激发速eV）内与电子温度关系不大，所以其发光强度和电子密（2p-2s）测量，由于我们知道锂原子束的强度，可以计算靶等离子体电子密度轮廓的绝对值而无需定标。图BES测量台基区电子密度，补充了度之不足。仪测量主等离子体密上用锂束测量电子密度另一方面，用超声束方法注入的氦束，由于上述单重态和三重态谱线的区别，可以从原子谱线分支比同时决定电子密度和温度（540TXOR上所做的。电荷交换复合光谱主要涉及离子分量的诊断。等离子体离子与束原子进行电荷交换ASDEX上使用锂束测量完全剥离的氦离子和碳离子的