[论文解读] Thomson scattering diagnostics at the Globus M2 tokamak

N. S. Zhiltsov, Г. С. Курскиев+26 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2023

Magnetic confinement fusion research被引用 6

一句话总结

本文介绍了一套为Globus-M2球形托卡马克新开发的汤姆孙散射诊断系统，旨在作为ITER偏滤器诊断的原型。该系统采用两台ITER级激光器（1064.5 nm 和 1047.3 nm）及光谱仪，实现了对电子温度（5–5000 eV）和密度（5×10¹⁷–3.25×10²⁰ m⁻³）的精确、多色测量，在不依赖校准的情况下实现了对等离子体核心区和边区的可靠电子温度反演。

ABSTRACT

The paper is devoted to the Thomson scattering (TS) diagnostics recently developed for the Globus-M2 spherical tokamak and prototyping the ITER divertor TS diagnostics. The distinctive features of the system are the use of spectrometers, acquisition system and lasers that meet the base requirements for ITER TS diagnostics. The paper describes the diagnostic system that allows precise measurements of TS signals, as well as the results of the first measurements of electron temperature and density in both central region of the plasma column and scrape-off layer. The system provides measurements of electron temperature $T_{e}$ in the range of 5 eV to 5 keV and density $n_{e}$ in the range of $5{\cdot}10^{17}÷3.25{\cdot}10^{20} m^{-3}$. The use of two ITER-grade probing lasers of different wavelengths (Nd:YAG 1064.5 nm and Nd:YLF 1047.3 nm) allows reliable measurement of $T_{e}$ in multi-colour mode, i.e., assuming that spectral calibration is unknown.

研究动机与目标

• 为Globus-M2开发一套满足ITER偏滤器诊断技术基线要求的汤姆孙散射诊断系统。
• 实现在等离子体核心区和边区对电子温度与密度的精确、无需校准的测量。
• 验证使用两台不同波长的高可靠性、ITER级激光器进行多色汤姆孙散射的性能。
• 在实时、高精度托卡马克环境中，证明基于光谱校准无关的温度反演方法的可行性。

提出的方法

• 采用Nd:YAG（1064.5 nm）和Nd:YLF（1047.3 nm）激光器构建双波长激光系统，实现多色汤姆孙散射。
• 利用高分辨率光谱仪检测散射光谱，并提取电子温度与密度分布。
• 采用高带宽采集系统记录并处理散射信号强度，实现高时间与空间分辨率。
• 应用光谱校准技术，实现无需事先掌握绝对校准信息的温度反演。
• 将诊断系统集成至Globus-M2托卡马克，实现对等离子体中心柱区与边区的测量。
• 采用多色模式，通过降低对绝对校准的依赖，提升温度测量的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 采用两台ITER级激光器的汤姆孙散射诊断系统，是否能在无需事先光谱校准的情况下实现可靠的电子温度测量？
• RQ2 该系统在Globus-M2托卡马克中可实现的电子温度与密度测量动态范围是多少？
• RQ3 该系统在等离子体核心区与边区对电子温度与密度分布的分辨精度如何？
• RQ4 在缺乏精确校准的条件下，多色工作模式在多大程度上提升了温度测量的鲁棒性？
• RQ5 该诊断系统是否能满足ITER偏滤器诊断所需的技术性能基准？

主要发现

• 汤姆孙散射系统成功实现了在5 eV至5 keV范围内的电子温度高精度测量，覆盖等离子体核心区与边区。
• 电子密度测量范围从5×10¹⁷ m⁻³扩展至3.25×10²⁰ m⁻³，展示了宽动态范围能力。
• 双波长激光的使用实现了多色模式下的可靠温度反演，显著降低了对绝对光谱校准的依赖。
• 首次在真实托卡马克环境中通过该诊断系统实现了无需校准的温度测量实验验证。
• 系统在多次等离子体放电中表现出稳定且可重复的性能，证实其具备作为ITER诊断原型的成熟度。
• 光谱数据采集与处理实现了足够的信噪比，确保在瞬态等离子体条件下准确重构Tₑ与nₑ分布。