托卡马克等离子体诊断

电子均匀分布：总散射幅度为0
电子密度涨落∝ ne ，总散射功率∝ ne 频谱：电子速度分布信息 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
I (, ) I 0 ne e S (k , )
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
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)/c JET: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
频率和波矢 s 0 (ks k0 ) v k v kv cos
k k k 2k 0 k s cos
2 s 2 0
若
v / c 1
k 2k 0 sin

2
微分散射截面
d r02 | s ( s e0 ) |2 d
电子密度测量方法比较
方法 干涉仪 反射仪 偏振仪 波散射 优点 技术成熟 不同磁场位形 测偏振面旋转 空间分辨 缺点 线平均，测相移 涨落影响 磁场影响 定标
电磁波干涉测量电子密度原理
Ｏ模折射率公式
N
2
c2k 2

2
1
2 pe 2
4e 2 1 n 2 e me
密度接近临界密度 nec me 2 / 4e 2
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
激光Thomson 散射 电子回旋辐射 （ECE） 轫致辐射
优点
绝对测量 空间分辨 时间连续 设备简单
缺点
时空不连续 需定标 需选适当波段
激光Thomson散射测电子温度Te
3Te 2 k me
离子成分贡献：Te<<Ti Gauss轮廓 Te〜Ti
k Z 2Te 2 ia mi
探测一般的集体振荡模式
s 0 k k s k0
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。
非相干散射 kD 1
1
1/ 2
Gauss轮廓
1/ 2
2 S (k , ) exp[( ) 2 ] kve kve
0
0
4 sin

2Te ln 2 2 2 me c
相干散射
kD 1
1
电子成分贡献
2 pe
ne 2e 2 N 1 n 1 e 2nec me 2
两束电磁波的光程差
2e 2 2e 2 [l (1 n )dx] ne dx 2 e c cm me e 0 0
l l

相当于２π 相移的密度线积分为
ne dx
0
l
频率和临界等离子体密度的关系是f=9×103ne1/2 。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。
两束幅度频率相等，相位差△Φ 的微波束迭加后
I cos( t ) I cos( t ) 2 I cos cos( t ) 2
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。
偏振方向 平行磁场
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+△ω t/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
e2 r0 2.82 1015 m （电子经典半径） 2 4 0 me c
对非偏振波 总截面
T
d 1 2 r0 (1 cos 2 ) d 2
d 8 2 d r0 6.65 10 29 m 2 d 3
三种成份的散射：电子:
离子：σT ∝ r02 ∝1/mi 中性粒子:
在远处
R s r ( 0) t c c t 1 s
散射波振幅：
| Es ( R, t ) | E0 r0 e2 | s ( s e ) | E | s (s e0 ) | 0 0 4 0 mec 2 R R
实验装置的具体考虑
α＝１在温度密度平面上的位置
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。
典型Thomson散射测温度装置
一般采用YAG或红宝石脉冲激光
在几个keV温度以上，须考虑 相对论效应，谱线发生兰移
具体实验设备
ＴＣＶ上的多点测量 ＪＴ－６０上的散射测量
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， 另一判断参数

1 k D
0
4 sin

2
ne e 2 (nm) ne 1.07 1014 0 Te Te (eV ) sin 2
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
Ei E0 exp[i(0t k r )]
推迟解
E s ( R, t ) {
e )} s (s v t 2 4 0 c | R r |
E0 e2 { s ( s e0 ) exp[i ( 0 t k r )]}t 2 4 0 me c R e0 E0 / E0 s R/R