汤姆逊散射技术在HL-2A装置上的应用进展

摘要

非相干激光汤姆逊散射诊断只需要假设电子速度满足Maxwell分布,测量得到的等离子体电子温度与电子密度的数据准确可靠,是托卡马克和其他磁约束核聚变研究装置上重要的诊断工具,并朝着高可靠性、高空间分辨和高重复测量频率的方向发展,其中高可靠性是前提.电子的汤姆逊散射截面很小,其总截面为σT=6.65×10-25cm2,通常使用电光调Q的Nd∶YAG激光器作为散射光源,激光脉冲宽度约10ns、脉冲能量约3 J,用5～8通道的光谱仪对散射光谱进行测量与分析.如何对光电探测模块输出的散射脉冲进行数据采集,是激光散射诊断的关键问题之一.以前使用电流积分式的数据采集器(Q-ADCs,如CMC080模块),在一个确定的时间宽度(如50 ns)将散射脉冲信号积分在采样电容器上,从而得到散射信号的强度值,这种方法很难排除电路噪声和外来干扰.该研究通过使用高速数据采集器(纵向分辨率≥10 bits、采样频率f≥1 GS·s-1,如V1742B模块)在包含散射信号在内的时间段(如300～500 ns)进行采集,获得散射脉冲信号、等离子体发光的扰动与背景噪声等叠加在一起的数据序列.利用最小二乘法,用高斯函数对散射脉冲的波形进行拟合,然后在50 ns时间宽度对散射波形脉冲进行数值积分,就得到散射信号的强度值.结果表明,高速同步采集技术的使用,能够用数字滤波技术排除大部分的干扰,从而提高信噪比,其幅度可以达到10倍左右.提取到更加准确可靠的光谱数据后,以置信水平95％、误差权重的最小二乘法开展数据处理,用A.C.Selden散射谱表达式对电子温度进行参数估计,得到了电子温度的测量值,其统计误差为3％ 左右,优于以前的10％ 左右.