【摘 要】
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高温等离子体温度和密度测量是磁约束聚变等离子体的重要诊断课题。本论文聚焦未来磁约束聚变等离子体上的温度和密度诊断,为解决现有诊断的不足,提出了新的诊断设计,完成了双膜软X射线荧光成像诊断和光纤干涉仪的研制。首先,本论文研制了适用于高温等离子体温度剖面诊断的软X射线荧光成像诊断系统。在高温等离子体中,由于电子加减速产生的韧致辐射为软X射线波段,辐射功率同时包含等离子体温度密度等信息。传统双膜法测量等
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高温等离子体温度和密度测量是磁约束聚变等离子体的重要诊断课题。本论文聚焦未来磁约束聚变等离子体上的温度和密度诊断,为解决现有诊断的不足,提出了新的诊断设计,完成了双膜软X射线荧光成像诊断和光纤干涉仪的研制。首先,本论文研制了适用于高温等离子体温度剖面诊断的软X射线荧光成像诊断系统。在高温等离子体中,由于电子加减速产生的韧致辐射为软X射线波段,辐射功率同时包含等离子体温度密度等信息。传统双膜法测量等离子体温度采用将穿过两种不同厚度铍膜的软X射线信号做比消掉密度信息的方法进行等离子体温度的诊断。传统双膜软X射线阵列诊断已经成为研究等离子体芯部磁岛、MHD行为和温度剖面测量的重要诊断。但传统软X射线阵列诊断存在通道数量众多、电子学复杂、安装和维护难度大等问题,限制了该诊断在未来聚变堆上的使用。为了改进传统诊断的缺陷,本论文首次发展了双膜软X射线荧光成像诊断。该诊断采用微通道板代替传统光电二极管成像,通过高时间响应荧光屏将电子转换为高速相机可以接收的可见光信号;诊断的成像面为切向的小截面,可以直观地观测等离子体的辐射和温度剖面。在平台测试中,针对双膜软X射线荧光成像诊断关键参数,即微通道板对软X射线辐射功率的线性响应能力,开展了 X射线管模拟高温等离子体软X射线源的测试,结果表明诊断系统的荧光强度与接收到的X射线辐射功率成线性关系。该诊断在KTX（Keda Torus eXperiment）装置上完成了诊断设计与平台实验,在核工业西南物理研究院的HL-2A托卡马克装置上进行了实验,获得了高温等离子体的辐射剖面与温度剖面信息,诊断时间分辨达到2000帧每秒,空间分辨能力达到1cm。其次,我们还研制了用于高密度等离子体密度诊断的光纤干涉仪诊断。干涉仪通过测量等离子体折射率获得等离子体密度信息,是高温等离子体中密度测量的最重要诊断。最初,基于KTX-CTI（KTX Compact Torus Injection）紧凑环注入装置上高密度等离子体的诊断需求,我们首次研制了用于高密度等离子体密度诊断的零拍马赫-贞德激光光纤干涉仪（简称光纤干涉仪）。该诊断利用激光在单模光纤中的单模传输特性,代替了传统自由空间干涉仪中复杂的光路组,同时避免了庞大的光学平台支撑,使得干涉仪对空间的需求极大降低,且安装极为方便;光纤干涉仪还采用了零拍马赫-贞德结构,不仅避免了传统外差探测上复杂的声光调制-解调结构,还使得系统带宽达到GHz级;为了消除零差干涉仪结构形成的相位噪声,本论文首次揭示了光纤干涉仪的相位噪声同时与激光线宽及干涉仪两臂长度差成正比,并从实验上进行了验证,经过优化后光纤干涉仪的相位精度达到6.4×10-4rad（对应的电子密度为1.5×1017m-2）。除此之外,为了扩展光纤干涉仪向长时间测量的应用,我们在单一波长光纤干涉仪（单色光纤干涉仪）基础上研发了双色光纤干涉仪。双色光纤干涉仪利用激光在单模光纤内传播的同轴特性,将1.55μm和1.31μm波长的两束激光导入相同的干涉仪光纤光路中,测量环境引起的低频缓变光程差对两束激光来说是相同的,最终成功将测量相位信号中的震动项（环境缓变项）与待测密度项分开,并在台面实验中实现了 1000s的稳定测量,测量精度维持在0.04 rad（对应的电子密度为1.0×1019 m-2）。光纤干涉仪应用广泛,目前已经在紧凑环注入装置、角向箍缩装置、大气低温等离子体射流装置和反场箍缩装置上成功进行了应用。
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