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4 , 电磁波散射. 电子温度测量 电磁波散射理论 非相干散射和相干散射 具体实验设备 LIDAR. 电子温度测量. 激光 Thomson 散射测电子温度 T e. 电磁波的散射理论. 平面电磁波在单个电子上的散射. 入射电磁波. 推迟解. 在远处. 散射波振幅:. 频率和波矢. 若. 微分散射截面. (电子经典半径). 对非偏振波. 总截面. 三种成份的散射: 电子 : 离子: σ T ∝ r 0 2 ∝1/m i 中性粒子 :. 电子均匀分布:总散射幅度为 0 电子密度涨落 ∝ , 总散射功率 ∝ 频谱:电子速度分布信息. - PowerPoint PPT Presentation
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4 ,电磁波散射 电子温度测量 电磁波散射理论 非相干散射和相干散射 具体实验设备 LIDAR
电子温度测量方法 优点 缺点
激光 Thomson散射
绝对测量空间分辨
时空不连续
电子回旋辐射( ECE )
时间连续 需定标
轫致辐射 设备简单 需选适当波段
电磁波的散射理论
激光 Thomson散射测电子温度Te
)](exp[ 00 rktiEEi
te
ts
rktiessR
E
cm
e
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etRE
)]}(exp[)(4{
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000
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2
20
RRs / 000 / EEe
s
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平面电磁波在单个电子上的散射入射电磁波
推迟解
在远处
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2ss kkkkk 2
sin2 0
kk
20
20 |)(| essr
d
d
mcm
er
e
152
0
2
0 1082.24
散射波振幅:
频率和波矢1/ cv若
微分散射截面
(电子经典半径)
)cos1(2
1 220
r
d
d
22920 1065.6
3
8mrd
d
dT
对非偏振波
总截面
三种成份的散射:电子 :
离子: σT ∝ r02 ∝1/mi
中性粒子 :
电子均匀分布:总散射幅度为 0电子密度涨落∝ ,总散射功率∝
频谱:电子速度分布信息en
en
),(),( 0 kSnII ee
散射光强:单位体积等离子体向空间某一方向的单位立体角内、单位频率间隔的散射功率
单电子微分散射截面 形状因子
形状因子从动力学方程和 Poisson 方程得到
非相干散射和相干散射
非相干散射: Debye 球内粒子上的散射可能有充分大的相差,可以探测到单粒子的行为
相干散射: Debye 球内粒子的散射位相趋同,振幅迭加,“衣着粒子”作为整体被散射,
)(2
sin
)(1007.1
2sin4
1 0142
0
eVT
nnm
T
en
k e
e
e
e
D
另一判断参数
1Dk 1
])(exp[2
),( 2
ee kvkvkS
2ln2
2sin4
20
2/1
0
2/1
cm
T
e
e
非相干散射
相干散射
Gauss 轮廓
1Dk 1
电子成分贡献 22 3k
m
T
e
epe
离子成分贡献: Te<<Ti Gauss 轮廓
Te 〜 Ti iai
e
m
TZk 22
探测一般的集体振荡模式
0
0
kkk s
s
Thomson散射和 Rayleigh散射
在高温等离子体中,中性粒子的 Rayleigh 散射很弱,可以充进高气压测量,以作 Thomson 散射强度的定标。
在低温等离子体中,两种散射谱可同时测量。
实验装置的具体考虑
非相干散射:短波长激光器如可见区的红宝石,或 YAG 激光,90 度散射角。
相干散射:远红外激光器,小角度散射。
α =1在温度密度平面上的位置
典型 Thomson散射测温度装置
在几个 keV 温度以上,须考虑相对论效应,谱线发生兰移一般采用 YAG 或红宝石脉冲激
光
具体实验设备
TCV上的多点测量
JT-60上的散射测量
光雷达技术用于散射测量LIDAR(light detection and ranging)
原理和典型参数空间分辨 δL= ( tL+tD)/cJET:tL=300ps, 700MHz, δL=12cm
JT-60上的集体散射测量
光路
5,电磁波干涉和 Faraday旋转测量
干涉仪 偏振仪 反射仪
方法 优点 缺点
干涉仪 技术成熟 线平均,测相移
反射仪 不同磁场位形 涨落影响
偏振仪 测偏振面旋转 磁场影响
波散射 空间分辨 定标
电子密度测量方法比较
电磁波干涉测量电子密度原理
ee
pe nm
ekcN
2
2
2
2
2
222 4
11
22 4/ emn eec
ec
ee
e n
nn
m
eN
21
21
2
2
dxncm
edxn
m
el
c
l
ee
e
l
e 0
2
02
2 2])
21([
20 e
cmdxn e
l
e
O模折射率公式
密度接近临界密度
两束电磁波的光程差
相当于2π相移的密度线积分为
微波干涉仪电磁波频率和临界等离子体密度的关系是 f=9×103ne
1/2 。如果电子密度是 1×1014cm-1 ,相应电磁波长为 3mm左右。一般来说,用于托卡马克测量的波长应为 10μm-2mm 。
)cos(2
cos2)cos()cos(
tItItI
两束幅度频率相等,相位差△Φ的微波束迭加后
远红外激光干涉仪例如,经常使用电激励的 HCN远红外激光,工作频率 337μm ,相应临界密度 1016cm- 3。
激光输出分为三束,除去测量束参考束外,还有一束用于调频,在一转动的圆柱形光栅上反射,利用 Doppler 效应使频率改变。它的值由光栅旋转速度决定。然后,这一调频光束又经分光后和另两束光迭加。这样两束光迭加后的调制振幅分别为 cos(△φ/2+△ωt/2) 和 cos(△ωt/2) 。用平方律探测器接收信号后是两个频率为低频信号△ω,其间有一个相差△φ
偏振方向平行磁场
Faraday旋转测量(偏振仪)
))((
))((||||
ceci
LRck
N
平行于磁场方向传播的右旋波和左旋波的折射率
时简化为 (郑 5.6.5)cicepe
)1(2
11
)(1
2
22
||
cepe
ce
peN
dxBnmc
edx
cdxN
c
l
ee
cepe
ll
||
02
0
3
22
2
0
||
0
11
传播距离 l 两分量的相位差
线偏振光入射等离子体,测量偏振面的变化,得到平行方向磁场和电子密度乘积的积分值
知道密度分布计算极向磁场
知道极向磁场分布计算密度
偏振仪测量极向磁场或电子密度
TCV上的干涉仪-偏振仪
CO2激光( 9.27μm) 的旋转角变化
可从切向射入测量电子密度分布
微波反射仪电磁波传播方向与磁场垂直时,分为 O模和 X 模。它们反射在 ω=ωpe ω=ωR ω=ωL 。 (郑5 .5 )
cicepecece
R
22)2
(2
cicepecece
L
22)2
(2
0
2
e
epe m
en
>ωpe, ωce
<ωpe,ωce
O模或 X 模垂直入射 ,在三个密度层反射 ,测量与参考束的相差 ,可以得到它们的位置
ITER上O模型和X模的截止点X模上截止从弱场侧注入,下截止从强场注入
6,电磁波发射
发射光谱 辐射测量ECE软X射线测量Q轮廓测量
START 上的等离子体照片
弹丸注入时的照片
托卡马克等离子体的线辐射和连续辐射
CASTOR装置上的光谱测量结果
用转镜实现空间扫描
HT-7上的光谱测量设备FTU上 Kr 不同电离态的空间分布
不同区域发射光谱特征(现代大型托卡马克)
区域 辐射波段 H,He 低Z杂质 高Z杂质 主要诊断
边缘区 可见 ,UV 部分电离 部分电离 部分电离 τp,Zeff
中间区 UV,X-ray 完全电离 部分剥离 部分剥离 杂质输运
核心区 X-ray 完全电离 完全剥离 部分/完全剥离
X线能谱
电子的轫致辐射
)/(105
105
)()4(
3
8
32/1237
2/1237
2/13
0
2
3
2
mWTZn
TnnZ
m
kTe
hcm
nnZP
ee
eze
e
e
e
ieb
)/(105 32/1237 mWTnZP eeeffb
ekThe
e
e
e
eeff eTgkT
me
cm
nZ /2/13
0
2
32
2
),()2()
4(
33
8
辐射功率密度
存在几种杂质
功率谱
(温度单位 keV )
Gaunt 因子
功率谱高频区主要取决于指数部分,对数坐标下斜率为 -h/kTe ,低频区指数部分为1。
主要用于决定 Zeff
用轫致辐射决定电子温度或 Zeff
低频区轫致辐射谱
高频区轫致辐射谱
轫致辐射谱和复合谱的迭加
复合辐射
hOOeO *
21** hhOOeO
辐射复合
双电子复合
吸收边
日冕辐射模型
)]([ 1111 zzzzzzzez snsnnn
dt
dn
z
z
z
z
sn
n 1
1
)/(107.2 32/1213 scmTZ ez
)/)(exp()/0.6()(
)/(10 3
2/3
2/15 scm
T
E
ETE
ETs
e
z
ze
z
ze
z
碰撞电离 自发辐射复合
碰撞激发 自发辐射跃迁
电离态速率方程
平衡时
日冕模型,实验和理论比较
从两谱线强度比可计算电子温度
原子和离子发射光谱序列电离次数 化学符号 光谱符号 光谱类型
0 C CI 原子1 C+ CII 类B离子2 C2+ 或 C++ CIII 类Be 离子3 C3+ CIV 类 Li 离子4 C4+ CV 类He 离子5 C5+ CVI 类H离子6 C6+ ( C核)
从中性粒子光谱线强度计算粒子约束时间
eieii nnsnnr
rrt
n
0)(1
a
ei rdrnsna0
0
04 2 p
ei
e NaR
dt
dN
H离子电离速率方程(考虑到粒子流)
只考虑电离,通过半径 a 处离子流量
平衡时的粒子守恒方程
从H原子谱线强度计算 n0ne值,和 Γi值,从而得到粒子约束时间 τp
Doppler展宽和位移测量离子温度和运动速度
PLT装置上中性粒子注入时用 FeXX266.5nm 和 FeXXIX25.5nm 线得到的 Doppler 温度和环向旋转速度
主动光谱技术好的空间分辨
一台褶皱环上的中性粒子束诊断设备
辐射量热器(bolometer)
探测器:
热敏电阻
热电偶
热释电
ECE测量电子温度217102.6 BTnP eec
电子回旋辐射功率密度
ECE成像设备
q(r)轮廓测量Zeeman 效应或运动 Stark 效应
Zeeman 效应:
谱线在磁场中分裂
||B 观察 :σ :圆偏振
⊥B观察 :σ :⊥B偏振 ,m=±1
π: ||B偏振 ,m=0
入射激光偏振面旋转,激发荧光强度正比于 (E(t)·B)2.探测垂直方向 π分量决定B方向
运动 Stark效应(MSE )
高能中性粒子注入,粒子参考系中产生感应电场 v×B,引起谱线 Stark 分裂。测量两分量的方向决定B方向。
7,粒子束测量 中性粒子能谱仪 中子测量 α 粒子测量
方法 优点 缺点Doppler展宽 一定空间分辨 需适当谱线中性粒子能谱 可测能谱 边缘区域
中子能谱 适合高温 核反应
离子温度测量方法比较
中性粒子能谱仪
中性粒子能谱仪器
(静电偏转型) RF加热前后的中性粒子能谱
H++H→H+H+
电荷交换反应
快 慢 快 慢
中子诊断
JET 上的实验结果, Ti=4.4keV
])(exp[)( 2
E
EEEF
rn
in
mm
ETmE 2中子能谱 半宽度
α粒子测量