用于磁性约束聚变装置中多波长实时汤姆逊散射的创新激光器和多色仪

《Fusion Engineering and Design》：Innovative lasers and polychromators for multi-wavelength real-time Thomson scattering in magnetic-confinement fusion devices

　　

摘要

为了在强背景光下的托卡马克等离子体中进行实时汤姆逊散射（TS）测量，开发了激光器和紧凑型滤光片多色仪。该多波长激光系统包括一个3 ns / 2 J / 50 Hz的1064 nm Nd:YAG激光器、一个1047 nm Nd:YLF激光器和一个946 nm Nd:YAG激光器。通过实验验证，1064 nm和1047 nm激光器在10^8次脉冲测试中的长期稳定性。946 nm激光器的开发仍在进行中，其设计实现目前正在讨论中。激光放大器采用了受激布里渊散射相位共轭（SBS-PC）镜来补偿热诱导的波前畸变，并降低光束意外聚焦到真空窗口的风险。这种紧凑型九通道滤光片多色仪集成了5 GHz波形数字化器和嵌入式信号处理功能。通过记录短激光脉冲形状，可以在仅10 ns的延迟时间内将有用的TS信号与杂散光信号区分开来。在Globus-M2托卡马克上的测试表明，TS信号可以与延迟的杂散光信号分离，电子温度测量精度达到1 eV，平均实时处理延迟为0.72 ms。这些结果证明了所开发设备的适用性及其在等离子体控制反馈系统中的实用性。

引言

偏滤器等离子体诊断是磁约束聚变研究中最具有挑战性的工程领域之一。在采用长脉冲或稳态燃烧等离子体的下一代托卡马克和聚变发电厂中，偏滤器区域会受到强烈的粒子通量、热负荷和剧烈的等离子体-壁相互作用的影响。准确实时监测偏滤器区域内的局部电子温度T_e和电子密度n_e对于控制辐射解附现象和防止等离子体电流中断至关重要。在现有的诊断技术中，汤姆逊散射（TS）是最可靠的非扰动式、局部性和直接测量T_e和n_e的方法之一。

几十年来，世界各地的主要聚变设施都开发了汤姆逊散射系统。类似的核心和偏滤器TS配置已应用于DIII-D [1]、MAST Upgrade [2]、NSTX-U [3]、ASDEX Upgrade [4]和JT-60SA [5]等装置。传统的TS系统通常使用Q开关Nd:YAG激光器，脉冲能量为几焦耳，持续时间约为10 ns，常与模拟电荷敏感积分器结合使用。尽管这些系统在标准条件下表现良好，但在偏滤器等离子体环境中，由于预期信号的极端动态范围、强烈的背景辐射、需要实时反馈以及与长托卡马克脉冲一起工作的要求，它们的性能可能会受到限制。国际热核实验反应堆（ITER）的技术要求也对系统的寿命和可维护性提出了严格限制。对于1000秒的等离子体脉冲，50 Hz的采样率和3×10^4次等离子体脉冲，连续运行将对应大约1.5×10^9次激光发射。由于目前的激光组件通常在大约10^8次发射后需要维护，因此系统架构必须尽量减少维护工作和光学重新对准。

本文通过设计、实现和实验验证针对反应堆级偏滤器环境的多波长TS诊断系统的1064 nm和1047 nm激光器，应对了这些工程挑战。虽然946 nm激光器仍在开发中，但本文也对其进行了讨论。主要的技术成果包括：

(i)

采用受激布里渊散射相位共轭（SBS-PC）镜来补偿瞬态热透镜效应，并降低光束意外聚焦到真空窗口的风险。

(ii)

将激光脉冲持续时间缩短至3 ns（传统系统中为10–15 ns），并结合增加的探测器带宽，以减少来自等离子体背景辐射和加热偏滤器目标的黑体辐射的干扰。

(iii)

开发了一种超紧凑型、高度为1 U的九通道滤光片多色仪，内置5 GHz数字化器，基于分段模拟存储架构，提供约10^4的探测器动态范围。

(iv)

在Globus-M2球形托卡马克上的实验验证，包括平均处理延迟为0.72 ms的实时重建。

本文的结构如下：第2节描述了激光系统的工程规格、设计架构和寿命测试。第2.1节介绍了1064 nm Nd:YAG和1047 nm Nd:YLF激光器，第2.2节讨论了Q开关946 nm Nd:YAG激光器的当前开发阶段，第2.3节介绍了1064 nm和1047 nm激光器在10^8次脉冲下的长期测试，第2.4节讨论了保护真空窗口免受激光损伤的方法。第3节描述了九通道多色仪的光学布局、信号采集、实验应用和实时处理，包括在Globus-M2偏滤器中的超低T_e测量。第4节讨论了所得结果的科学和技术意义，第5节进行了总结。

章节摘录

激光系统

汤姆逊散射诊断的主要特性很大程度上取决于激光系统。ITER中的偏滤器汤姆逊散射（DTS）诊断需要能够在高脉冲重复率下进行稳态运行的高功率激光器，并且光束质量足够好，以避免在托卡马克不可到达区域的光学组件上产生局部热点。这类应用中使用的激光器通常提供1–2 J的脉冲能量，脉冲持续时间约为10 ns，具有良好的近场和远场光束特性

多色仪

为了在1064 nm、1047 nm和946 nm波长下工作，选择了对近红外敏感的硅光电二极管（APD）。干涉滤光片多色仪必须覆盖沿外偏滤器探测弦的26个空间通道，并在外部撞击点附近具有高空间分辨率。检测系统针对高信噪比进行了优化，总增益约为10^7，以应对来自等离子体背景、目标黑体辐射、光子散粒噪声和内部探测器电子设备的噪声干扰。

讨论

本工作中开发的诊断平台为下一代长脉冲聚变装置中的汤姆逊散射（TS）测量提供了一个坚固、高度集成的工程平台。虽然这些组件主要是为满足ITER偏滤器TS系统的严格要求而设计的，但其核心设计原理适用于各种磁约束装置中的边缘和偏滤器诊断。通过结合高能短脉冲激光器

结论

已经开发并成功验证了一种用于汤姆逊散射（TS）诊断的集成工程平台，为长脉冲聚变装置提供了可靠的解决方案。该系统结合了高能短脉冲激光器、动态波前补偿、1 U尺寸的机架安装式多色仪和嵌入式实时处理功能，为下一代等离子体诊断建立了一个可扩展的设计框架。

提出的三波长探测概念（1064 nm、1047 nm和946 nm）提高了

CRediT作者贡献声明

Eugene E. Mukhin：概念设计、资金获取、项目管理、资源协调、监督、初稿撰写、审稿与编辑。Sergey Yu. Tolstyakov：概念设计、形式分析、研究调查、项目管理、监督、审稿与编辑。Gleb S. Kurskiev：概念设计、数据管理、形式分析、研究调查、审稿与编辑。Nikita V. Ermakov：数据管理、形式分析、资金获取、研究调查

Eugene E. Mukhin|Sergey Yu. Tolstyakov|Gleb S. Kurskiev|Nikita V. Ermakov|Nikita S. Zhiltsov|Philip Ph. Forsh|Ekaterina E. Tkachenko|Valery A. Solovey|Sergey E. Aleksandrov|Andrey V. Nikolaev|Alexander N. Koval|Alexey G. Razdobarin|Paul S. Kudryashov|Nikita A. Kungurtsev|Kirill O. Nikolaenko|Sofia A. Babakhina|Alexander N. Bazhenov|Igor V. Bocharov|Ilya A. Bochkarev|Taisiya A. Kharisova|Michele Bassan

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