關(guān)于二氧化碳激光相干散射診斷的考慮課件

關(guān)于二氧化碳激光相干散射診斷的考慮李亞?wèn)|李建剛關(guān)于二氧化碳激光相干散射診斷的考慮李亞?wèn)|李建剛1（一）基本知識(shí)和背景宏觀不穩(wěn)定性波和等離子體相互作用微湍流和反常輸遠(yuǎn)邊界層物理當(dāng)前磁約束聚變研究面臨的四大問(wèn)題

董家齊（一）基本知識(shí)和背景當(dāng)前磁約束聚變研究面臨的四大問(wèn)題

董家2Collectivescatteringfromwavesandfluctuation

N.C.LuhmannandW.A.Peebles

(Laserdiagnosticsofmagneticallyconfinedthermonuclearplasmas)

First,low-frequencymicro-instabilities,suchasdriftwavesandconvectivecells,arethoughttobethemaincauseoftheanomaloustransportexistinginpresentdaytokamakplasmas.（反常輸運(yùn)研究）Second,RFheatingatthelowerhybridandharmonicsoftheelectronandioncyclotronfrequenciesarelikelytodevelopintocosteffectivealternativestoneutralbeamheating.Astudyofthelaunching,propagation,modeconversion,anddampingofsuchwavesisofimportanceinunderstandingtheheatingmechanismsandimprovingefficiencies.（波與等離子體相互作用）Third,theexternallaunchingofwavesinfusionplasmasandameasurementoftheirdispersionrelationscanleadtoaspatiallyandtemporallyresolveddeterminationofplasmaparameterssuchasiontemperature（測(cè)量離子溫度、粒子分布、…）Collectivescatteringfromwav3托卡馬克裝置能量輸運(yùn)示意圖反常輸運(yùn)指的是反常的熱傳導(dǎo)；實(shí)驗(yàn)中的電子熱導(dǎo)e是新經(jīng)典理論值的2~3個(gè)數(shù)量級(jí)，離子熱導(dǎo)I在實(shí)驗(yàn)中能夠接近新經(jīng)典理論值。托卡馬克裝置能量輸運(yùn)示意圖反常輸運(yùn)指的是反常的熱傳導(dǎo)；實(shí)驗(yàn)中4等離子體物理診斷

等離子體狀態(tài)（基本參數(shù)測(cè)量）等離子體約束狀態(tài)(等離子體參數(shù)分布測(cè)量---密度、溫度、磁場(chǎng)、…)等離子約束狀態(tài)的本質(zhì)(反常輸運(yùn)和穩(wěn)定性監(jiān)測(cè))微漲落(溫度、密度、磁場(chǎng)…)MHD及破裂等離子體物理診斷等離子體狀態(tài)等離子體約束狀態(tài)等離子約束狀態(tài)的5漂移波類型的湍流漂移波類型的湍流起源于等離子體宏觀物理量的不均勻性，這些不均勻物理量的分布線型決定湍流性質(zhì)，同時(shí)決定等離子體的輸運(yùn)。漂移波類型的湍流漂移波類型的湍流起源于等離子體宏觀物理量的不6HT-7裝置可進(jìn)行k=8~23cm-1的有效測(cè)量，進(jìn)行了k=31cm-1的測(cè)量嘗試HT-7裝置可進(jìn)行k=8~23cm-1的有效測(cè)量，進(jìn)行了k=7JET---GS2scancodeJET---GS2scancode8關(guān)于二氧化碳激光相干散射診斷的考慮課件9DIII-DDIII-D10TEXT實(shí)驗(yàn)---高k離子模湍流對(duì)于不同加料方式的表現(xiàn)(i模)TEXT實(shí)驗(yàn)---高k離子模湍流對(duì)于不同加料方式的表現(xiàn)(i11（二）HT-7裝置CO2激光相干散射診斷發(fā)展過(guò)程(2003年春季實(shí)驗(yàn)相干散射信號(hào)k=12cm-1)（二）HT-7裝置CO2激光相干散射診斷發(fā)展過(guò)程(2003年12TEXT裝置相干散射診斷信號(hào)（1）TEXT裝置相干散射診斷信號(hào)（1）13TEXT裝置相干散射信號(hào)（2）TEXT裝置相干散射信號(hào)（2）14HT-7裝置相干散射信號(hào)

(2005.5k=23cm-1頻譜為t=0.1s)HT-7裝置相干散射信號(hào)

(2005.5k15Fluctuationsandanomaloustransportintokamaks(Woottonetal)

Phys.FluidsB,Vol.2.No.12,December1990當(dāng)K值大于某一值，隨著k值的增大對(duì)應(yīng)的散射信號(hào)越弱，這篇綜述文獻(xiàn)總結(jié)的相干散射診斷所測(cè)k譜范圍為0<k<20cm-1。Fluctuationsandanomaloustra16（三）近期工作目標(biāo)在下輪實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)k=9cm-1、k=18cm-1、k=27cm-1三路同時(shí)監(jiān)測(cè)并開(kāi)展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。（k測(cè)量范圍8~27cm-1)進(jìn)行大k監(jiān)測(cè)嘗試k=8cm-1、k=18cm-1、k=35cm-1（ETG）爭(zhēng)取在明年的國(guó)際會(huì)議（成都）上與DIII-D的相應(yīng)診斷工作進(jìn)行學(xué)術(shù)交流

（三）近期工作目標(biāo)在下輪實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)k=9cm-1、k=1817二氧化碳激光相干散射系統(tǒng)與遠(yuǎn)紅外激光、微波相干散射系統(tǒng)的比較散射信號(hào)強(qiáng)度PSP002LV2(?)2P0、0---激光功率、波長(zhǎng)；

Lv---散射體積；混合長(zhǎng)度估計(jì)?/n~1/(<k>Ln)Ln=d(lnn)/d(lnr)微波、遠(yuǎn)紅激光散射系統(tǒng)：對(duì)光源功率要求不高；縱向空間分辨率較好；機(jī)械精度和穩(wěn)定度要求不高；元器件保護(hù)；維護(hù)方便。單光源k譜測(cè)量范圍窄；(裝置中窗口空間的限制)在等離子體中有折射效應(yīng)；對(duì)聚變裝置的約束層(Q=1~Q=2)測(cè)量困難；要考慮聚變裝置中的等離子體的截止密度。CO激光散射系統(tǒng)：二氧化碳激光轉(zhuǎn)換效率高，容易獲得高功率光源；波長(zhǎng)短、可進(jìn)行大范圍的k譜測(cè)量；在聚變裝置等離子體測(cè)量中不用考慮折射效應(yīng)和截止密度。對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精度要求高，光學(xué)元器件防護(hù)困難。二氧化碳激光相干散射系統(tǒng)與遠(yuǎn)紅外激光、微波相干散射系統(tǒng)的比較18(四)為提高相干散射系統(tǒng)信噪比采取的手段（i）改變探測(cè)器的偏置方法（ii）改進(jìn)激光系統(tǒng)(四)為提高相干散射系統(tǒng)信噪比采取的手段（i）改變探測(cè)器的偏19采用電流放大器工作方式進(jìn)行偏置同時(shí)準(zhǔn)備反偏補(bǔ)償工作方式采用電流放大器工作方式進(jìn)行偏置20(i)對(duì)激光的前腔鏡、后腔鏡和布儒斯特窗加水冷

(ii)在激光的后腔鏡加裝精密定位器，微調(diào)激光腔長(zhǎng)

小角度相干散射系統(tǒng)需要對(duì)激光束進(jìn)行長(zhǎng)光程成像，其k譜的分辨能力由激光束的束腰決定，因此激光光束必須是TEM00；由于散射束與本振束的強(qiáng)度比為1：105~7，所測(cè)頻譜范圍為0~2MHz，因此本振激光束必須穩(wěn)定。引起激光輸出漲落的主要因素有：高次雜模干擾，多縱模干涉，激光體系的自組織現(xiàn)象，放電管氣壁不穩(wěn)定及工作氣體流場(chǎng)的擾動(dòng)…。因此這種激光品很難是工業(yè)產(chǎn)品。(i)對(duì)激光的前腔鏡、后腔鏡和布儒斯特窗加水冷

(ii)在21(五)CO2激光相干散射儀與CO2激光干涉儀的系統(tǒng)比較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光束位相調(diào)制（聲光調(diào)制）光束位相調(diào)制（聲光調(diào)制）紅外高斯光束成像系統(tǒng)紅外高斯光束成像系統(tǒng)HgCdTe探測(cè)器(1:~1)HgCdTe探測(cè)器(1:105~7)相位差計(jì)采集采集二氧化碳激光干涉儀二氧化碳激光相干散射儀(五)CO2激光相干散射儀與CO2激光干涉儀的系統(tǒng)比較二氧化22關(guān)于二氧化碳激光相干散射診斷的考慮課件23采用CO2激光干涉儀測(cè)量聚變裝置中的等離子體密度

是發(fā)展的必然趨勢(shì)能夠?qū)崿F(xiàn)幾十道的等離子體密度測(cè)量，給出完整的等離子體密度分布線型（相位差計(jì)位相分辨己達(dá)2/12800jt-60U）不用考慮折射效應(yīng)不用考慮截止密度采用CO2激光干涉儀測(cè)量聚變裝置中的等離子體密度

是發(fā)展的必24關(guān)于二氧化碳激光相干散射診斷的考慮李亞?wèn)|李建剛關(guān)于二氧化碳激光相干散射診斷的考慮李亞?wèn)|李建剛25（一）基本知識(shí)和背景宏觀不穩(wěn)定性波和等離子體相互作用微湍流和反常輸遠(yuǎn)邊界層物理當(dāng)前磁約束聚變研究面臨的四大問(wèn)題

董家齊（一）基本知識(shí)和背景當(dāng)前磁約束聚變研究面臨的四大問(wèn)題

董家26Collectivescatteringfromwavesandfluctuation

N.C.LuhmannandW.A.Peebles

(Laserdiagnosticsofmagneticallyconfinedthermonuclearplasmas)

First,low-frequencymicro-instabilities,suchasdriftwavesandconvectivecells,arethoughttobethemaincauseoftheanomaloustransportexistinginpresentdaytokamakplasmas.（反常輸運(yùn)研究）Second,RFheatingatthelowerhybridandharmonicsoftheelectronandioncyclotronfrequenciesarelikelytodevelopintocosteffectivealternativestoneutralbeamheating.Astudyofthelaunching,propagation,modeconversion,anddampingofsuchwavesisofimportanceinunderstandingtheheatingmechanismsandimprovingefficiencies.（波與等離子體相互作用）Third,theexternallaunchingofwavesinfusionplasmasandameasurementoftheirdispersionrelationscanleadtoaspatiallyandtemporallyresolveddeterminationofplasmaparameterssuchasiontemperature（測(cè)量離子溫度、粒子分布、…）Collectivescatteringfromwav27托卡馬克裝置能量輸運(yùn)示意圖反常輸運(yùn)指的是反常的熱傳導(dǎo)；實(shí)驗(yàn)中的電子熱導(dǎo)e是新經(jīng)典理論值的2~3個(gè)數(shù)量級(jí)，離子熱導(dǎo)I在實(shí)驗(yàn)中能夠接近新經(jīng)典理論值。托卡馬克裝置能量輸運(yùn)示意圖反常輸運(yùn)指的是反常的熱傳導(dǎo)；實(shí)驗(yàn)中28等離子體物理診斷

等離子體狀態(tài)（基本參數(shù)測(cè)量）等離子體約束狀態(tài)(等離子體參數(shù)分布測(cè)量---密度、溫度、磁場(chǎng)、…)等離子約束狀態(tài)的本質(zhì)(反常輸運(yùn)和穩(wěn)定性監(jiān)測(cè))微漲落(溫度、密度、磁場(chǎng)…)MHD及破裂等離子體物理診斷等離子體狀態(tài)等離子體約束狀態(tài)等離子約束狀態(tài)的29漂移波類型的湍流漂移波類型的湍流起源于等離子體宏觀物理量的不均勻性，這些不均勻物理量的分布線型決定湍流性質(zhì)，同時(shí)決定等離子體的輸運(yùn)。漂移波類型的湍流漂移波類型的湍流起源于等離子體宏觀物理量的不30HT-7裝置可進(jìn)行k=8~23cm-1的有效測(cè)量，進(jìn)行了k=31cm-1的測(cè)量嘗試HT-7裝置可進(jìn)行k=8~23cm-1的有效測(cè)量，進(jìn)行了k=31JET---GS2scancodeJET---GS2scancode32關(guān)于二氧化碳激光相干散射診斷的考慮課件33DIII-DDIII-D34TEXT實(shí)驗(yàn)---高k離子模湍流對(duì)于不同加料方式的表現(xiàn)(i模)TEXT實(shí)驗(yàn)---高k離子模湍流對(duì)于不同加料方式的表現(xiàn)(i35（二）HT-7裝置CO2激光相干散射診斷發(fā)展過(guò)程(2003年春季實(shí)驗(yàn)相干散射信號(hào)k=12cm-1)（二）HT-7裝置CO2激光相干散射診斷發(fā)展過(guò)程(2003年36TEXT裝置相干散射診斷信號(hào)（1）TEXT裝置相干散射診斷信號(hào)（1）37TEXT裝置相干散射信號(hào)（2）TEXT裝置相干散射信號(hào)（2）38HT-7裝置相干散射信號(hào)

(2005.5k=23cm-1頻譜為t=0.1s)HT-7裝置相干散射信號(hào)

(2005.5k39Fluctuationsandanomaloustransportintokamaks(Woottonetal)

Phys.FluidsB,Vol.2.No.12,December1990當(dāng)K值大于某一值，隨著k值的增大對(duì)應(yīng)的散射信號(hào)越弱，這篇綜述文獻(xiàn)總結(jié)的相干散射診斷所測(cè)k譜范圍為0<k<20cm-1。Fluctuationsandanomaloustra40（三）近期工作目標(biāo)在下輪實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)k=9cm-1、k=18cm-1、k=27cm-1三路同時(shí)監(jiān)測(cè)并開(kāi)展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。（k測(cè)量范圍8~27cm-1)進(jìn)行大k監(jiān)測(cè)嘗試k=8cm-1、k=18cm-1、k=35cm-1（ETG）爭(zhēng)取在明年的國(guó)際會(huì)議（成都）上與DIII-D的相應(yīng)診斷工作進(jìn)行學(xué)術(shù)交流

（三）近期工作目標(biāo)在下輪實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)k=9cm-1、k=1841二氧化碳激光相干散射系統(tǒng)與遠(yuǎn)紅外激光、微波相干散射系統(tǒng)的比較散射信號(hào)強(qiáng)度PSP002LV2(?)2P0、0---激光功率、波長(zhǎng)；

Lv---散射體積；混合長(zhǎng)度估計(jì)?/n~1/(<k>Ln)Ln=d(lnn)/d(lnr)微波、遠(yuǎn)紅激光散射系統(tǒng)：對(duì)光源功率要求不高；縱向空間分辨率較好；機(jī)械精度和穩(wěn)定度要求不高；元器件保護(hù)；維護(hù)方便。單光源k譜測(cè)量范圍窄；(裝置中窗口空間的限制)在等離子體中有折射效應(yīng)；對(duì)聚變裝置的約束層(Q=1~Q=2)測(cè)量困難；要考慮聚變裝置中的等離子體的截止密度。CO激光散射系統(tǒng)：二氧化碳激光轉(zhuǎn)換效率高，容易獲得高功率光源；波長(zhǎng)短、可進(jìn)行大范圍的k譜測(cè)量；在聚變裝置等離子體測(cè)量中不用考慮折射效應(yīng)和截止密度。對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精度要求高，光學(xué)元器件防護(hù)困難。二氧化碳激光相干散射系統(tǒng)與遠(yuǎn)紅外激光、微波相干散射系統(tǒng)的比較42(四)為提高相干散射系統(tǒng)信噪比采取的手段（i）改變探測(cè)器的偏置方法（