使用光谱法测量融合等离子体

背景

橡树岭国家实验室 (Oak Ridge National Laboratory) 的 Ted Biewer 领导的聚变诊断和对照组专门测量和监测聚变实验中等离子体的特性。我们与该小组的科学家 Drew Elliott 进行了交谈：“我们小组的工作是开发和作诊断方法，以更好地描述许多此类实验的特征。虽然世界各地的一些小组和实验都在寻找和开发创建更高效、更经济的聚变实验的方法，但测量聚变等离子体的关键参数仍然具有挑战性。“我们是诊断专家，能够进行更准确的测量或进行其他团队没有人员、硬件或专业知识的新测量。”

为了将他们的专业知识带到世界各地的多个聚变实验室，研究人员最近开发了一种紧凑的便携式系统，可以在不同的实验地点运输和作。该仪器采用了一种称为汤姆逊散射(带电粒子对电磁辐射的散射)的技术，Elliott 博士解释说，该技术基本上是一种非常准确的热等离子体温度或密度测量方法。在此过程中，使用光学方法至关重要，因为物理探针会在聚变等离子体中的高温和恶劣环境中被破坏。

使用他们的新设置，该小组将能够通过为他们提供以前没有的诊断功能和信息来支持全球实验。

挑战

开发新装置的主要挑战是光谱系统需要足够紧凑以便于运输，但也要具有灵活性，以适应可能具有非常不同参数的各种实验。例如，等离子体温度的范围可能从相对较冷的等离子体(大约是室温的 1000 倍)到接近太阳内部的温度。Elliott 博士解释说，使用他们的光谱技术可以测量的温度极限基本上取决于光谱仪的光谱带宽，该光谱仪应该能够根据不同的实验情况调整其光谱范围。

传统光谱仪遇到的一个问题是，由于光学像差，它们的仪器响应函数在相机传感器的中心和边缘之间发生了显著变化。然后，光谱线的大小和形状会根据它们被观察的传感器的位置而改变。该团队需要更好的仪器响应，以避免数据处理中复杂和困难的校正。

等离子体实验还需要能够非常短的曝光时间的探测器，以抑制热等离子体非常亮的背景辐射。如果曝光时间与来自短激光脉冲的信号精确计时，则与激光信号相比，这种背景光可以有效地忽略不计。

总体而言，IsoPlane 和 PI-MAX 的组合使我们能够建立一个紧凑的系统，以实现所需的测量能力----泰德·贝特(Ted Biewer)

解决方案

该小组为其便携式诊断系统实施了一个由 IsoPlane-320 光谱仪和 PI-MAX4 ICCD 相机组成的光谱系统。与传统的实验室光谱仪相比，IsoPlane-320 具有先进的光学系统，可最大限度地减少光学像差。因此，仪器的响应和分辨率在整个探测器中保持不变。低像差还允许观察更多的光谱轨迹。汤姆逊散射实验通常使用多个光纤输入，以解决实验中的不同位置。这种光谱仪和相机配置使 Oak Ridge 团队能够同时观察所有这些通道。IsoPlane 光谱仪还配备了三光栅转盘，因此可以通过切换到具有更大或更小凹槽密度的光栅来快速改变光谱带宽。

此外，PI-MAX4 增强型 CCD 相机允许纳秒级门时间，这是抑制明亮等离子体背景所必需的。栅极开度可以皮秒精度与快速激光脉冲感应的信号同步。

“总的来说，IsoPlane 和 PI-MAX 的组合使我们能够建立一个紧凑的系统，实现所需的测量能力。”

审核编辑 黄宇