背景

橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (Oak Ridge National Laboratory) 的 Ted Biewer 領(lǐng)導(dǎo)的聚變?cè)\斷和對(duì)照組專門(mén)測(cè)量和監(jiān)測(cè)聚變實(shí)驗(yàn)中等離子體的特性。我們與該小組的科學(xué)家 Drew Elliott 進(jìn)行了交談：“我們小組的工作是開(kāi)發(fā)和作診斷方法，以更好地描述許多此類實(shí)驗(yàn)的特征。雖然世界各地的一些小組和實(shí)驗(yàn)都在尋找和開(kāi)發(fā)創(chuàng)建更高效、更經(jīng)濟(jì)的聚變實(shí)驗(yàn)的方法，但測(cè)量聚變等離子體的關(guān)鍵參數(shù)仍然具有挑戰(zhàn)性。“我們是診斷專家，能夠進(jìn)行更準(zhǔn)確的測(cè)量或進(jìn)行其他團(tuán)隊(duì)沒(méi)有人員、硬件或?qū)I(yè)知識(shí)的新測(cè)量?！?/p>

為了將他們的專業(yè)知識(shí)帶到世界各地的多個(gè)聚變實(shí)驗(yàn)室，研究人員最近開(kāi)發(fā)了一種緊湊的便攜式系統(tǒng)，可以在不同的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)運(yùn)輸和作。該儀器采用了一種稱為湯姆遜散射(帶電粒子對(duì)電磁輻射的散射)的技術(shù)，Elliott 博士解釋說(shuō)，該技術(shù)基本上是一種非常準(zhǔn)確的熱等離子體溫度或密度測(cè)量方法。在此過(guò)程中，使用光學(xué)方法至關(guān)重要，因?yàn)槲锢硖结槙?huì)在聚變等離子體中的高溫和惡劣環(huán)境中被破壞。

使用他們的新設(shè)置，該小組將能夠通過(guò)為他們提供以前沒(méi)有的診斷功能和信息來(lái)支持全球?qū)嶒?yàn)。

挑戰(zhàn)

開(kāi)發(fā)新裝置的主要挑戰(zhàn)是光譜系統(tǒng)需要足夠緊湊以便于運(yùn)輸，但也要具有靈活性，以適應(yīng)可能具有非常不同參數(shù)的各種實(shí)驗(yàn)。例如，等離子體溫度的范圍可能從相對(duì)較冷的等離子體(大約是室溫的 1000 倍)到接近太陽(yáng)內(nèi)部的溫度。Elliott 博士解釋說(shuō)，使用他們的光譜技術(shù)可以測(cè)量的溫度極限基本上取決于光譜儀的光譜帶寬，該光譜儀應(yīng)該能夠根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)情況調(diào)整其光譜范圍。

傳統(tǒng)光譜儀遇到的一個(gè)問(wèn)題是，由于光學(xué)像差，它們的儀器響應(yīng)函數(shù)在相機(jī)傳感器的中心和邊緣之間發(fā)生了顯著變化。然后，光譜線的大小和形狀會(huì)根據(jù)它們被觀察的傳感器的位置而改變。該團(tuán)隊(duì)需要更好的儀器響應(yīng)，以避免數(shù)據(jù)處理中復(fù)雜和困難的校正。

等離子體實(shí)驗(yàn)還需要能夠非常短的曝光時(shí)間的探測(cè)器，以抑制熱等離子體非常亮的背景輻射。如果曝光時(shí)間與來(lái)自短激光脈沖的信號(hào)精確計(jì)時(shí)，則與激光信號(hào)相比，這種背景光可以有效地忽略不計(jì)。

總體而言，IsoPlane 和 PI-MAX 的組合使我們能夠建立一個(gè)緊湊的系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)所需的測(cè)量能力----泰德·貝特(Ted Biewer)

解決方案

該小組為其便攜式診斷系統(tǒng)實(shí)施了一個(gè)由 IsoPlane-320 光譜儀和 PI-MAX4 ICCD 相機(jī)組成的光譜系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室光譜儀相比，IsoPlane-320 具有先進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)，可最大限度地減少光學(xué)像差。因此，儀器的響應(yīng)和分辨率在整個(gè)探測(cè)器中保持不變。低像差還允許觀察更多的光譜軌跡。湯姆遜散射實(shí)驗(yàn)通常使用多個(gè)光纖輸入，以解決實(shí)驗(yàn)中的不同位置。這種光譜儀和相機(jī)配置使 Oak Ridge 團(tuán)隊(duì)能夠同時(shí)觀察所有這些通道。IsoPlane 光譜儀還配備了三光柵轉(zhuǎn)盤(pán)，因此可以通過(guò)切換到具有更大或更小凹槽密度的光柵來(lái)快速改變光譜帶寬。

此外，PI-MAX4 增強(qiáng)型 CCD 相機(jī)允許納秒級(jí)門(mén)時(shí)間，這是抑制明亮等離子體背景所必需的。柵極開(kāi)度可以皮秒精度與快速激光脈沖感應(yīng)的信號(hào)同步。

“總的來(lái)說(shuō)，IsoPlane 和 PI-MAX 的組合使我們能夠建立一個(gè)緊湊的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)所需的測(cè)量能力?！?br />
審核編輯 黃宇