HL-2A装置Nd:YAG激光汤姆逊散射多道测量系统

　　激光汤姆逊散射[1]是核聚变研究中测量等离子体电子温度的一项重要诊断方法,它直接、绝对测量等离子体的电子温度,准确可靠,已广泛应用于托卡马克装置。如果再通过瑞利散射或拉曼散射绝对标定,还可以绝对测量等离子体的电子密度。国际上,一些主要的大中型核聚变研究装置(如JT-60U, MAST, ASDEX-U,Tore Supra和DⅢ-D等)都配备了针对不同研究对象的激光汤姆逊散射系统,不仅获得了等离子体芯部区域电子温度和电子密度分布的信息,同时也拓展了该技术用于研究边缘等离子体和偏滤器等离子体的物理过程[2-6]。

　　我们在HL-2A装置上建立了一套Nd:YAG激光汤姆逊散射系统,核心器件是Nd:YAG激光器、干涉滤光片光谱仪和硅雪崩光二极管(APD)探测器组成的散射仪,其测量电子温度和密度的时间分辨率为100 ms,空间分辨率约3 cm。多道激光汤姆逊系统是基于装置上单空间点的激光散射系统[7]。本文将测量空间点由原来的单点增加到6点,可以扫描的等离子体区域为-35~-3 cm;测量了等离子芯部附近区域的电子温度;定性计算出散射强度与电子密度的比例系数;对实验结果的不确定度进行了估算。

　　1　实验原理

　　激光在等离子体中传播时,将激起电子或离子作受迫振动,从而发出次级辐射。自由电子在电磁波辐射场的作用下作受迫振动,发射出次级电磁辐射,形成散射波的现象,称为汤姆逊散射[1]。运动电子的散射辐射产生多普勒频移,其频谱大小取决于电子速度v在散射差分矢量ΔK方向上的分量,即Δω=ΔK·v。其散射截面很小。如果在测量位置处,光束截面积为S,长度为L,则该散射体积内的电子总数为

式中:ne表示该散射体的平均体电子数密度。该散射体积内的每一个电子都会参与散射过程,向光接收系统发出散射光。对于相干汤姆逊散射,各个电子是完全相关的,散射体向接收系统辐射的散射光总功率为单个电子的N2e倍;对于非相干汤姆逊散射,即汤姆逊散射,电子的散射光之间没有相关性,总的散射光功率为单个电子散射光功率的Ne倍。这种相关性可以用散射参数α表示为

式中:K=4πsin(θ/2)/λ0,λ0为入射激光的波长;θ为散射角;λD为德拜长度;Te为电子温度。当α 1时,称为相关汤姆逊散射(CTS),此时散射频谱反应出与离子运动有关的信息,可用于测量离子温度、快离子能量分布、湍流以及等离子体波动等;当α 1时,散射频谱完全反映了电子无规则热运动的特征,称为非相干汤姆逊散射,简称汤姆逊散射。接收位置R处的散射功率与散射体积内的电子总数Ne成正比,即Ne个自由电子在R处产生的散射功率的简单叠加。HL-2A托卡马克等离子体的参数满足α 1,符合非相干汤姆逊散射条件。利用干涉滤光片光谱仪作为分光元件,硅雪崩光二极管为探测器,每一个空间位置的散射光谱由5个光探测通道完成测量和A/D转换后,用查表法可求得电子温度Te。