HT-7激光汤姆逊散射仪的改造及升级.docVIP

HT-7激光汤姆逊散射仪的改造及升级 课题组成员：赵君煜、李亚东、陈卓天、杨利、毛剑珊、方自深 国家自然科学基金编号 21万元 负责人：毛剑珊 （2001年1月 - 2003年12月） 中国科学院改造、升级课题 25万元 负责人：毛剑珊 （2001年1月 - 2002年12月） 课题意义 经过近50年的努力，磁约束聚变研究取得重大进展，随着聚变等离子体物理研究(目标是建成稳态高效聚变堆)的不断深入，等离子体诊断技术也在不断地发展，对其性能也提出了更高的要求：稳定、可靠、时空分辨。在研究托卡马克等离子体行为时，电子温度(Te)时空分辨的测量是必不可少的。用激光汤姆逊散射法测量电子温度是世界公认的最准确的测量方法。世界各大聚变装置都发展了该项诊断，而且相关技术发展很快。但是由于汤姆逊散射截面非常小(8×10-26cm2)，散射能量总值只有入射能量的10-15左右，还要进行多道分谱测量，这就增加了它的难度和复杂性。其关键是如何尽可能地提高接收系统的灵敏度，从而降低对激光输出能量的过高要求，使之运行更加稳定、可靠，同时还要求时、空两维测量，不仅要能测量高密度区的Te(r)，又能测低密度区的 Te(r)。 九十年代初我所从俄罗斯引进T-7超导托卡马克,经我们的改造已成为世界第三大超导托卡马克HT-7,已取得不少物理结果.为了适应HT-7超导托卡马克长脉冲，先进运行模式等各项物理实验深入的需要，急需一台能长期、稳定运行的时空分辨的激光汤姆逊散射仪，为低杂波电流驱动、波加热、弹丸注入等各项物理实验，实时地提供时空分辨的电子温度行为以及对相关物理问题进行深入研究。世界先进托卡马克装置都具有技术先进的激光汤姆逊散射仪，但耗资巨大，如美国通用原子能公司的DIII-D及欧洲的JET托卡马克装置上的激光汤姆逊散射仪耗资几百万美元。我所随T-7的引进,同时引进一台多脉冲钕玻璃激光散射仪,它已在库尔卡托夫研究所运行十多年.这台钕玻璃激光器,红外输出=20-25焦耳，接收系统是摄谱仪分光，光电倍增管，只能接收可见光，因此不得不用KDP晶体倍频，倍频后波长为0.53μ的激光，输出能量降低到4-5焦耳。为了能测量到可靠信号，激光器必须始终处于满负荷运行状态，这将极大降低其使用寿命和稳定性。据了解日本NIFS也从俄罗斯进口一台与HT-7上的指标相同的激光器，只运行了200多次，激光棒就被损坏，几乎无能量输出.为了能长时间稳定地为HT-7各项物理实验提供可靠的参数--电子密度和电子温度时空分布，必须改造已有的激光散射仪，去掉易潮解价格昂贵难调节的KDP倍频晶体（特别是在合肥地区气候潮湿更易潮解），改为1.06波长红外输出, 这既简化激光器结构又 提高激光器的输出能量4-5倍。 采用光纤和窄带滤光作为分光元件，用硅雪崩二极管红外探测元件，大大降低对激光器输出能量要求。tokamak边界等离子体的电子密度和电子温度都远低于芯部，低电子密度区的测量要求激光输出能量更高，才能有足够强的测量信号。低电子温度，要求分光更细，才能满足要求，因此，采用光纤和窄带滤光作为分光元件，用硅雪崩二极管红外探测元件,只要更换不同的波长范围的滤光片使之既能测中心Te，也能满足边界等离子体参数的测量。采用我们提出的仪器改造方案，不仅能使HT-7上的激光汤姆逊散射仪长时间、稳定地运行，实时地为HT-7各项物理实验提供更高测量精度和更大测量范围的电子温度和电子密度时空分布参数，以及进行有关HT-7超导托卡马克先进运行模式下电子温度行为的物理研究，同时也将我国的激光汤姆逊散射这一重要的聚变诊断技术提高一个档次，达到世界先进水平。因而本项目势在必行，这也是国际上聚变等离子体诊断技术发展的必然趋势。 项目申请人毛剑珊研究员和主要参加者自1974年以来一直从事激光汤姆逊散射仪的研制，具有长期的、丰富的工作经验的积累.1985年他们完成的HT-6B上的单点红宝石激光散射仪的研制和1988年HT-6M上逐次多点红宝石激光散射仪的研制,测出了HT-6B和HT-6M托卡马等离子体电子温度，通过了技术鉴定获中科院科技进步三等奖.现承担TH-7超导tokamak上的激光汤姆逊散射仪的研制 参考文献： [1] T.N.Carstron等 “A Compact, Low Cost, Seven Channel Polychromator for Thomson Scatterring measurements” Rev.Sci.Instrum,61(10),1990 2858 C.L.Hsieh 等 “ Silicon Avalanche Photodiode Detector Circuit for Nd:YAG