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满足托卡马克装置实验需求 巩固EAST在聚变研究中的优势地位——中国科学院等离子体物理研究所成功研制超高时空分辨率汤姆逊散射诊断系统

2020-05-20

 

电子温度、密度分布是聚变装置重要的基本参数,也是很多聚变物理问题研究的基础。激光汤姆逊散射诊断通过电子在激光作用下的散射谱形状和强度获得电子温度、密度实验数据,由于其原理清晰,被国际公认为聚变研究中可靠的电子温度、密度分布诊断手段,因此成为包括国际热核聚变实验堆(ITER)在内的国际各聚变装置优先发展的诊断手段。由于汤姆逊散射诊断需要在纳秒级时间内分析激光与电子产生的光子量级的散射谱,此系统对于激光器、弱快信号探测技术提出了更高的要求,被认为是聚变研究中相对难实现的几个诊断之一,目前只有少数发达国家具有完整的研制能力。
在国家磁约束核聚变能发展研究专项“EAST等离子体关键分布参数对外部功率动态响应的研究”和“EAST高约束模式下边界输运垒精细结构研究”等项目的支持下,中国科学院等离子体物理研究所成功研制出超高时空分辨率汤姆逊散射诊断系统,并于近期顺利通过验收。该诊断系统可分别在4 kHz YAG激光超高频模式(10个脉冲)和100 Hz YAG激光连续模式下实现等离子体电子温度、密度全空间同步测量,是目前国际上仅有的以单台激光器实现高频率长时间(100Hz/ >1000s)连续工作的汤姆逊散射诊断系统。
对于以高参数、长脉冲为目标的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)来说,1亿度以上的电子温度只可以由汤姆逊散射准确测量,但1亿度电子激光散射谱谱宽更宽、强度更弱,要想获得高精度信号,激光器和探测器需要满足更高的要求,既要考虑快速物理过程也要兼顾诊断稳定运行时间(达到1 000 s以上)。
中国科学院等离子体物理研究所激光汤姆逊散射课题组针对EAST托卡马克装置实验需求,不断吸收消化国际先进激光、探测技术,成功发展了具有超高时空分辨率的汤姆逊散射诊断系统。课题团队开创性地提出一种串脉冲方法并开展技术攻关,成功研制出具有特色的4 kHz/3 J YAG脉冲激光器;同时攻克了高性能散射光分光、红外弱快信号探测、高速采集、高效激光传输和自动准直关键技术难题,该系统在EAST装置上成功实现了空间45测量点、时间分辨高达250 μs、空间分辨率高达3 mm、电子温度与密度误差分别小于10%和15%的全空间电子温度密度分布测量。
课题团队同时通过全腔水冷结构,研制完成3.5 J/100 Hz全灯泵浦工作模式激光器,该激光器可在3.5 J大功率模式下以100 Hz连续、稳定工作10多分钟,激光器综合参数达到国际先进水平。该激光器通过激光合束技术实现与4 kHz激光器的协同工作,为EAST长脉冲稳态运行多时间尺度研究提供可靠的研究手段。
磁约束核聚变是解决人类未来能源问题的主要途径。中国科学院等离子体物理研究所研制的EAST 汤姆逊散射诊断系统在时间分辨率(4 kHz)、空间分辨率(3 mm)和运行稳定性等关键技术方面均达到世界先进水平,为EAST成功实现100秒H模和1亿度等离子体放电等重大进展提供了重要的数据支持。超高时空分辨率汤姆逊散射诊断系统的成功建成将有助于进一步提高对聚变物理的理解,巩固EAST在聚变前沿问题研究中的优势地位。
项目团队及负责人简介
中国科学院等离子体物理研究所是中国磁约束核聚变研究的重要基地,在高温等离子体物理实验及核聚变工程技术方面处于国际先进水平,先后建成了圆截面超导托卡马克“合肥超环”HT-7、非圆截面全超导托卡马克“东方超环”EAST,并在物理实验中获得了一系列国际先进或独具特色的成果。中国科学院等离子体物理研究所汤姆逊散射诊断团队现有成员10余人,其中研究员2人,副研究员1人,博士后2人,博士1人,另有在读博士研究生和硕士研究生6人(其中联合培养1人),专业涵盖等离子体物理、光学、机械、电子和自动化控制等领域。
臧庆,研究员,博士生导师,中国科学院等离子体物理研究所诊断一级课题组副组长、汤姆逊散射诊断组负责人,等离子体物理研究所学术委员会委员,中国科学院青年创新促进会成员,深圳大学兼职教授。主要研究方向为高温等离子体诊断和等离子体物理。自2005年起一直从事汤姆逊散射诊断(TS)及输运相关物理问题研究,带领团队自主完成EAST芯部、边界TS诊断的研制,为EAST100sH-mode和1亿度等多项重大成果提供了可靠的实验数据支持。在汤姆逊散射诊断原理、近红外探测技术、系统标定理论与技术和数据分析方法等研究方面取得多项重要成果。曾作为访问学者参与德国Juelich研究中心TEXTOR和美国PPPL实验室LTX汤姆逊散射诊断研制。先后承担国家自然科学基金、ITER计划专项国内配套研究课题、国家重点研发计划等多项国内重大科研任务。在国际仪器及核聚变研究期刊发表论文30余篇。2019年获中国科学院杰出科技成就奖(集体)。