【我國(guó)成功研制高速高精度激光湯姆遜散射儀】采訪人員從中國(guó)科學(xué)院了解到， 近日， 在國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目“高功率納秒激光器及精密探測(cè)儀器研制”支持下， 中國(guó)科學(xué)院空天信息研究院和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位聯(lián)合研制出高速高精度激光湯姆遜散射儀 。
今年5月在“科大一環(huán)”磁約束聚變等離子體裝置開(kāi)展實(shí)驗(yàn)中， 基于重復(fù)頻率200赫茲、單脈沖能量5焦耳的激光脈沖， 實(shí)現(xiàn)了小于5電子伏特的電子溫度測(cè)量精度， 電子溫度安全預(yù)警時(shí)間間隔達(dá)5毫秒， 所獲得的預(yù)警時(shí)間是國(guó)際同類系統(tǒng)的一半， 指標(biāo)提高一倍 。 這標(biāo)志著我國(guó)在該領(lǐng)域進(jìn)入國(guó)際領(lǐng)先水平行列， 為我國(guó)未來(lái)磁約束聚變能裝置的高精度測(cè)量奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ) 。
在磁約束聚變反應(yīng)裝置工作過(guò)程中， 偏濾器將承受巨大的能量泄放， 需要對(duì)等離子體電子溫度進(jìn)行提前預(yù)警和實(shí)時(shí)反饋控制， 實(shí)現(xiàn)脫靶而避免等離子體損傷器壁進(jìn)而導(dǎo)致災(zāi)難性后果 。 基于高頻高能激光的湯姆遜散射測(cè)量是精確測(cè)量等離子體電子溫度的唯一可靠測(cè)量手段， 激光的工作頻率決定了溫度預(yù)警的采樣時(shí)間間隔， 間隔越小系統(tǒng)預(yù)警越及時(shí)， 裝置運(yùn)行安全系數(shù)越高 。 限于激光器能量和頻率水平,我國(guó)以往等離子體溫度診斷采用數(shù)十赫茲的低頻激光器， 采樣間隔寬， 遇到緊急情況無(wú)法及時(shí)預(yù)警， 導(dǎo)致裝置運(yùn)行存在巨大風(fēng)險(xiǎn) 。 雖然采用多臺(tái)低頻率激光器合束技術(shù)可以滿足預(yù)警時(shí)間間隔要求， 但是這種方法可靠性大幅降低 。 歐洲和日本已經(jīng)掌握了100赫茲工作頻率的高能激光技術(shù)， 預(yù)警時(shí)間間隔達(dá)到10毫秒， 但這個(gè)預(yù)警時(shí)間間隔仍然較長(zhǎng)， 無(wú)法完全保證裝置安全運(yùn)行 。
自2015年起， 空天信息研究院聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所和同濟(jì)大學(xué)等單位歷時(shí)3年時(shí)間， 突破了高能量高光束質(zhì)量激光傳輸與放大、激光相位共軛波前畸變校正、大口徑/大尺寸激光放大模塊、大功率脈沖激光驅(qū)動(dòng)電源等關(guān)鍵技術(shù)， 于2017年4月在國(guó)際上首次發(fā)布重復(fù)頻率200赫茲、脈沖能量5焦耳、脈沖寬度6.6納秒、光束質(zhì)量1.7倍衍射極限的高頻高能激光指標(biāo)， 將我國(guó)納秒脈寬激光器的功率水平提高了1個(gè)數(shù)量級(jí) 。 研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出基本完善的工藝流程， 核心器件/部件實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化， 形成整機(jī)工程化制造能力 。 以200赫茲/5焦耳激光器為光源， 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)攻克了大功率激光傳輸系統(tǒng)綜合降噪、收集光學(xué)精準(zhǔn)對(duì)焦、弱光信號(hào)探測(cè)提取等難題， 成功地研制我國(guó)迄今精度最高的激光湯姆遜散射檢測(cè)系統(tǒng) 。
研究團(tuán)隊(duì)后續(xù)將開(kāi)展更高功率、更高頻率激光器研發(fā)和更高精度的診斷實(shí)驗(yàn),計(jì)劃將激光器的工作頻率提高至500赫茲， 檢測(cè)系統(tǒng)提供2毫秒的安全預(yù)警時(shí)間間隔和1電子伏特的電子溫度測(cè)量精度， 為下一代磁約束聚變裝置安全運(yùn)行提供高速預(yù)警手段 。
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