快速测量等离子体中电子的温度和密度的新型装置

图1 利用汤姆逊散射测量等离子体中电子温度和密度

核聚变发电是一种利用高温等离子体中核聚变反应产生的能量进行发电的技术，其中关键要求是必须能对快速变化的高温等离子体进行精确测量，以理解和控制核聚变中的物理现象。

由日本国立聚变科学研究所（NIFS）以及美国威斯康星大学组成的联合研究小组开发了一种高性能激光装置，设计了一种测量等离子体中电子温度和密度的方法，能以每秒2万次的速度测量近70个空间点，比此前使用的方法快600多倍，是世界上测量速度最快的方法。这一方法的实现使得详细研究等离子体的快速变化成为可能，此前这项研究一直被视为难以实现。先进的测量技术是核聚变研究的关键。

大型螺旋装置（Large Helical Device, LHD）主要研究如何将聚变发电所需的高温等离子体限制在磁场中。等离子体是由自由移动的电子和离子组成的物质状态，温度越高、电子粒子运动得越快。研究人员使用了“汤姆逊散射”来测量这些电子的温度。

图2 高重复率激光系统的工作原理。当介质中发生温差时，光不再以直线路径传播，从而对介质造成破坏（如上方图所示）；而在高重复率激光系统中，介质中产生温差之前，多次泵浦、输出激光脉冲（如下方图所示）

该技术首先使用一束高功率激光束注入等离子体中，随后测量这束激光撞击电子时产生的“散射光”。多普勒效应导致散射光与入射激光的颜色不同，而颜色变化与电子的速度相对应，因此能通过散射光的颜色来确定对应电子的温度，通过散射光的亮度来确定电子密度。

不同位置等离子体的电子温度和密度不同，并且随时间变化极快。为准确测量等离子体状态，汤姆逊散射测量系统必须具有极高的空间分辨率，以尽可能精确的测量电子温度和密度的空间分布。LHD汤姆逊散射系统可同时测量等离子体中144个点位电子的温度和密度，是世界上所实现的最高空间分辨率。等离子体状态的时间变化通过向等离子体中反复输入激光脉冲来测量，然而此前LHD汤姆逊散射系统的时间分辨率只有每秒30次。为深入理解研究人员所观察到的物理现象、并从中观察到新发现，必须提高时间分辨率。

更有价值的是，随着测量速度的加快，研究人员能对发生在等离子体中的瞬态现象进行详细的测量，为理解和控制这些现象提供了强有力工具。

日本国立聚变科学研究所副教授Ryo Yasuhara、Hisamichi Funaba及 Hiyori Uehara，与威斯康星大学的Daniel J. den Hartog教授合作发明了一个汤姆森散射测量系统，测量频率高达20khz（即每秒20,000次）。

图3 新型等离子体电子温度计比以往系统快600倍

新型测量系统的核心是一个能高重复率输出高强度光的激光装置。在该激光系统中，激光介质（此次研究中使用的是固体介质）被激发光泵浦，产生高功率激光束。然而由于激光产生效率不可能达到100%，没有转化成激光的能量就转变成为热量。

因此在高重复频率下，固体介质中的产热是一个非常棘手问题。产热会在介质中造成温差，随后造成热光效应，即介质不同位置的折射率不同，因此光不再直线向前传播。热光效应会导致激光输出功率降低、同时会对固体介质造成破坏。

研究小组在介质温差出现之前，在极短5毫秒的时间内多次泵浦、输出激光，避免了热光效应的问题，最终成功开发出一种重复频率高达20千赫的激光器。借助这种高性能激光器、新开发的高速数据采集系统，再加上先进的分析方法，研究人员所发明的汤姆逊散射测量系统，能世界上最快的20 kHz的速度运算，比传统系统快600多倍。

Yasuhara副教授说：“就像伽利略借助高性能望远镜观测到了重要的天文现象那样，我也希望能借由快速电子温度和密度分布测量工具，进一步推动核聚变研究的发展。我们希望这项技术的发明，能够帮助更精确的理解那些之前难以观察到的物理现象，比如等离子体注入以及湍流引起的瞬态现象等。”

此项研究成果的总结论文发表于Scientific Reports。文章见：H. Funaba et al, Electron temperature and density measurement by Thomson scattering with a high repetition rate laser of 20 kHz on LHD, Scientific Reports (2022). DOI: 10.1038/s41598-022-19328-9。