背景

橡樹嶺國(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?！拔覀兪窃\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，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，該小組將能夠通過為他們提供以前沒有的診斷功能和信息來支持全球?qū)嶒?yàn)。

挑戰(zhàn)

開發(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，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，因此可以通過切換到具有更大或更小凹槽密度的光柵來快速改變光譜帶寬。

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

“總的來說，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