1、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：10075049 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）一一 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
2、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( 810-26cm2)，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
3、 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 =20-06.1E25 焦耳，接收系统是摄谱仪分光，光 电倍增管
4、，只能接收可见光，因此不得不用KDP 晶体倍频，倍频后波长为 0.53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m结构又 提高激光器的
5、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
6、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
7、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 28582 C.L.Hsieh 等 “ Silicon Avalanche Photodiode Detector Circuit for Nd:YAG Laser Scattering” Rev.Sci.Instrum,61(10),1990 二， 研究内容
8、拟采取的研究方法和技术路线，目前国际上在 DIII-D,JET 等托卡马克上的激光汤姆逊散射仪已经实现该先进技术，但花费近几百万美元，我们完全照搬国外先进技术是不现实的。我们在现有的多脉冲铷玻璃激光器的基本条件下，利用国内近几年来光电技术的突飞猛进的发展。经过长期调研，目前有关的关键元器件可以在国内解决，花不多的钱， 经过合理的改进，将我国的激光汤姆逊散射诊断水平提高一个挡次，经论证是切实可行的，它 这是非常有意义的也是非常必要的。一一 拟采取的研究方法和技术路线（1） 激光器的改造现有的铷玻璃激光器在 0.53m 波段输出能量仅为 5 焦耳。我们的改造方案是：去掉易潮解，价格昂贵, 难调节的
9、 KDP 倍频晶体，使原有的铷玻璃激光器，直接工作在红外波段(=1.06m)，激光器的红外输出能量为 20焦耳到 25 焦耳。提高激光器的输出能量 4-5 倍，并大大简化激光器的结构和调节方法。因为 KDP 晶体非常容易潮解( 特别在湿度很大霉雨季节)，它不仅价格昂贵，而且对其调节精度要求很高。（2）光学和分光系统改造使所有光学元件具有高红外透过。采用干涉滤光片分光仪，增大接收立体角，接收效率比原有的摄谱仪至少提高 1 个量级。根据 汤姆逊散射谱宽 ，针对 HT-7 超导托卡马克 ，eeT4.19/ kevTe5.0750/1e，每个空间点用 5 个干涉 滤光片分光，各道中心波长:1050nm
10、( =40 );A A1040nm( =50 );1020nm ( =100 );950nm ( =150 );810nm ( =200 );AA中心波长透过率 。如经费充足可增加空间测量道。采用光纤可使接收系统%70远离装置，便于调节。（3）改进接收器件采用硅雪崩二极管作红外波段接收器件代替已有光电倍增管。SIAPD 接收器件在 红外波长( )量子效率为 40%，但价格高， S-20 光阴极的106.m光电倍增管在 波段量子效率为 12%。所以采用干涉滤光片分光，硅雪崩二053.极管红外接收，大大提高了接收灵敏度，如果保持同样的测量精度只要求激光器在 1.06m波 长输能量为 5 个焦耳。上
11、述分光仪和接收器件需至少复制五套对应测量空间 5 点。如经费充足可增加空间测量道。现有的工作基础：90-93 年毛剑珊在美国聚变研究中心完成了空间多点红宝石激光散射仪的研制,在多项物理实验中给出了电子温度的空间分布。美国通用原子能公司的 DIII-D 托卡马克上的 T-S 是世界最先进的红外接收射散 仪。主要参加者 赵君煜、罗家融研究员，均在美国 DIII-D 汤姆逊散射组长期工作，项目申请人毛剑珊在 DIII-D 访问期间，专门就激光汤 姆逊散射仪红外接收部件的性能要求与 DIII-D 激光汤姆逊小组进行了了解和面对面地讨论，以及结合中国国情进行了可行性讨论分析，我们已经完成了调研报告和可行性分析。掌握了有关红外探测的关键技术，我们已经有了有关红外接收系统详细的技术资料，所以等离子体所的汤姆逊散射课题组有光、机、电各有专长的强有力的成员和充分的经验。 这是项目完成的最重要的保证。目前项目正在顺利进展之中， 并是赵君煜的博士学位论文内容之一。实验方案：见示意图
