关于二氧化碳激光相干散射诊断的考虑课件

关于二氧化碳激光相干散射诊断的考虑李亚东李建刚关于二氧化碳激光相干散射诊断的考虑李亚东李建刚1（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（一）基本知识和背景当前磁约束聚变研究面临的四大问题

董家2Collectivescatteringfromwavesandfluctuation

N.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、…）Collectivescatteringfromwav3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。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4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及破裂等离子体物理诊断等离子体状态等离子体约束状态等离子约束状态的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。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6HT-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HT-7装置可进行k=8~23cm-1的有效测量，进行了k=7JET---GS2scancodeJET---GS2scancode8关于二氧化碳激光相干散射诊断的考虑课件9DIII-DDIII-D10TEXT实验---高k离子模湍流对于不同加料方式的表现(i模)TEXT实验---高k离子模湍流对于不同加料方式的表现(i11（二）HT-7装置CO2激光相干散射诊断发展过程(2003年春季实验相干散射信号k=12cm-1)（二）HT-7装置CO2激光相干散射诊断发展过程(2003年12TEXT装置相干散射诊断信号（1）TEXT装置相干散射诊断信号（1）13TEXT装置相干散射信号（2）TEXT装置相干散射信号（2）14HT-7装置相干散射信号

(2005.5k=23cm-1频谱为t=0.1s)HT-7装置相干散射信号

(2005.5k15Fluctuationsandanomaloustransportintokamaks(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0<k<20cm-1。Fluctuationsandanomaloustra16（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

（三）近期工作目标在下轮实验中实现k=9cm-1、k=1817二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PSP002LV2(ñ)2P0、0---激光功率、波长；

Lv---散射体积；混合长度估计ñ/n~1/(<k>Ln)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。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18(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(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19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采用电流放大器工作方式进行偏置20(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。(i)对激光的前腔镜、后腔镜和布儒斯特窗加水冷

(ii)在21(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(五)CO2激光相干散射仪与CO2激光干涉仪的系统比较二氧化22关于二氧化碳激光相干散射诊断的考虑课件23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）不用考虑折射效应不用考虑截止密度采用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24树立质量法制观念、提高全员质量意识。12月-2212月-22Friday,December30,2022人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。14:06:5114:06:5114:0612/30/20222:06:51PM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦绷。12月-2214:06:5114:06Dec-2230-Dec-22加强交通建设管理，确保工程建设质量。14:06:5114:06:5114:06Friday,December30,2022安全在于心细，事故出在麻痹。12月-2212月-2214:06:5114:06:51December30,2022踏实肯干，努力奋斗。2022年12月30日2:06下午12月-2212月-22追求至善凭技术开拓市场，凭管理增创效益，凭服务树立形象。30十二月20222:06:51下午14:06:5112月-22严格把控质量关，让生产更加有保障。十二月222:06下午12月-2214:06December30,2022作业标准记得牢，驾轻就熟除烦恼。2022/12/3014:06:5114:06:5130December2022好的事情马上就会到来，一切都是最好的安排。2:06:51下午2:06下午14:06:5112月-22专注今天，好好努力，剩下的交给时间。12月-2212月-2214:0614:06:5114:06:51Dec-22牢记安全之责，善谋安全之策，力务安全之实。2022/12/3014:06:51Friday,December30,2022相信相信得力量。12月-222022/12/3014:06:5112月-22谢谢大家！树立质量法制观念、提高全员质量意识。12月-2212月-2225树立质量法制观念、提高全员质量意识。12月-2212月-22Friday,December30,2022人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。14:06:5114:06:5114:0612/30/20222:06:51PM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦绷。12月-2214:06:5114:06Dec-2230-Dec-22加强交通建设管理，确保工程建设质量。14:06:5114:06:5114:06Friday,December30,2022安全在于心细，事故出在麻痹。12月-2212月-2214:06:5114:06:51December30,2022踏实肯干，努力奋斗。2022年12月30日2:06下午12月-2212月-22追求至善凭技术开拓市场，凭管理增创效益，凭服务树立形象。30十二月20222:06:51下午14:06:5112月-22严格把控质量关，让生产更加有保障。十二月222:06下午12月-2214:06December30,2022作业标准记得牢，驾轻就熟除烦恼。2022/12/3014:06:5114:06:5130December2022好的事情马上就会到来，一切都是最好的安排。2:06:51下午2:06下午14:06:5112月-22专注今天，好好努力，剩下的交给时间。12月-2212月-2214:0614:06:5114:06:51Dec-22牢记安全之责，善谋安全之策，力务安全之实。2022/12/3014:06:51Friday,December30,2022相信相信得力量。12月-222022/12/3014:06:5112月-22谢谢大家！树立质量法制观念、提高全员质量意识。12月-2212月-2226关于二氧化碳激光相干散射诊断的考虑李亚东李建刚关于二氧化碳激光相干散射诊断的考虑李亚东李建刚27（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（一）基本知识和背景当前磁约束聚变研究面临的四大问题

董家28Collectivescatteringfromwavesandfluctuation

N.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、…）Collectivescatteringfromwav29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。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30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及破裂等离子体物理诊断等离子体状态等离子体约束状态等离子约束状态的31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。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32HT-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HT-7装置可进行k=8~23cm-1的有效测量，进行了k=33JET---GS2scancodeJET---GS2scancode34关于二氧化碳激光相干散射诊断的考虑课件35DIII-DDIII-D36TEXT实验---高k离子模湍流对于不同加料方式的表现(i模)TEXT实验---高k离子模湍流对于不同加料方式的表现(i37（二）HT-7装置CO2激光相干散射诊断发展过程(2003年春季实验相干散射信号k=12cm-1)（二）HT-7装置CO2激光相干散射诊断发展过程(2003年38TEXT装置相干散射诊断信号（1）TEXT装置相干散射诊断信号（1）39TEXT装置相干散射信号（2）TEXT装置相干散射信号（2）40HT-7装置相干散射信号

(2005.5k=23cm-1频谱为t=0.1s)HT-7装置相干散射信号

(2005.5k41Fluctuationsandanomaloustransportintokamaks(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0<k<20cm-1。Fluctuationsandanomaloustra42（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

（三）近期工作目标在下轮实验中实现k=9cm-1、k=1843二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PSP002LV2(ñ)2P0、0---激光功率、波长；

Lv---散射体积；混合长度估计ñ/n~1/(<k>Ln)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。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44(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(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45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采用电流放大器工作方式进行偏置46(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。(i)对激光的前腔镜、后腔镜和布儒斯特窗加水冷

(ii)在47(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(五)CO2激光相干散射仪与CO2激光干涉仪的系统比较二氧化48关于二氧化碳激光相干散射诊断的考虑课件49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）不用考虑折射效应不用考虑截止密度采用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50树立质量法制观念、提高全员质量意识。12月-2212月-22Friday,December30,2022人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。14:06:5114:06:5114:0612/30/20222:06:51PM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦绷。12月-2214:06:5114:06Dec-2230-Dec-22加强交通建设管理，确保工程建设质量。14:06:5114:06:5114:06Friday,December30,2022安全在于心细，事故出在麻痹。12月-2212月-2214:06:5114:06:51December30,2022踏实肯干，努力奋斗。2022年12月30日2:06下午12月-2212月-22追求至善凭技术开拓市场，凭管理增创效益，凭服务树立形象。30十二月20222:06:51下午14:06:5112月-22严格把控质量关，让生产更加有保障。十二月222:06下午12月-2214:06December30,2022作业标准记得牢，驾轻就熟除烦恼。2022/12/3014:06:5114:06:5130De