电磁波散射.ppt

5
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
kD

0 4 sin
2
nee2
Te

1.07
10 14
0 (nm)
低频2区019指-11数-1 部分为１。
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28
用轫致辐射决定电子温度或Zeff
低频区轫致辐射谱
2019-11-1
高频区轫致辐射谱
轫致辐射谱和复合谱的迭加
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29
复合辐射
辐射复合
O e O * O h
双电子复合 O e O * * O h1 h 2
pe
ne e 2 me 0
R

ce 2

(
ce
2
)2


2 pe
ce ci
>ω pe, ω ce
<ω ω L

ce 2

(
c
e
)
2
2


2 pe
ce ci
pe, ce
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
2019-11-1
存在几种杂质
Pb 51037 Zeff ne2Te1/2 (W / m3)
（温度单位keV）
功率谱


8 33
Zeff ne2 me2c3
(
e2
4
0
)3
(
me
2kTe
)1/
2
g
(,
Te
)e

h
/
k
Te
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，
主要用于决定Zeff
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) 2I cos cos(t )
2
2019-11-1
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18
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。
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22
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
2019-11-1
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23
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
2019-11-1
START上的等离子体照片
弹丸注入时的照片
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24
托卡马克等离子体的线辐射和连续 辐射
定标
2019-11-1
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16
电磁波干涉测量电子密度原理
Ｏ模折射率公式
N2

c2k 2
2

1

2 pe
2

1

4e 2 me 2
ne
密度接近临界密度 nec me 2 / 4e2
N
1
2e2 me 2
ne
1
ne 2nec
两束电磁波的光程差
l
2e 2
2e2 l

c
[l

(1
0
me 2 ne )dx]
cme
ne dx
0
相当于２π 相移的密度线积分为
l
0
ne dx

cme
e2
2019-11-1
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17
微波干涉仪
电磁波频率和临界等离子体密度的关系是f=9×103ne1/2 。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
sin
2
ne Te (eV )
2019-11-1
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6
非相干散射 kD 1 1
Gauss轮廓

S(k ,
)

2

exp[(
)2 ]
kve
kve
1/2 1/2 4 sin
0
0
2
2Te me c 2
ln
2
相干散射 kD 1 1
电子成分贡献
接收信号后是两个频率为低频信号△ω，其间有一个相差△φ
2019-11-1
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19
Faraday旋转测量（偏振仪）
平行于磁场方向传播的右旋波和左旋波的折射率
N||

ck||


( R )( L ) ( ci )( ce )
pe ce ci 时简化为(郑5.6.5)
吸收边
2019-11-1
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30
日冕辐射模型
电离态速率方程
dnz dt
ne [nz1 z1 nz1sz1 nz ( z
sz )]
平衡时
nz z1
n z1
sz
sz
105
(Ez
(Te / Ez )1/ 2 )3/ 2 (6.0 Te
/
Ez
)
exp(

2 pe

3Te
me
k2
离子成分贡献：Te<<Ti Gauss轮廓
2019-11-1
Te〜Ti
谢谢聆听k
Z 2Te
mi
2ia
7
探测一般的集体振荡模式





s


0
k ks k0
2019-11-1
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8
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。
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2
激光Thomson散射测电子温度Te
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
在远处
Es
(
R,
t)

{
4
0c
e 2|
R

r
|
s

(s

v )}t

{
4
e2 0me
c
2
E0 R
s

具体实验设备
ＴＣＶ上的多点测量
ＪＴ－６０上的散射测量
2019-11-1
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12
光雷达技术用于散射测量
LIDAR(light detection and ranging)
2019-11-1
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13
原理和典型参数
空间分辨δL=（tL+tD)/c JET:tL=300ps, 700MHz, δL=12cm
r0 R
E0
|
s

(s

e0
)
|
频率和波矢


s
0

(ks

k0) v

k
v

kv cos
k
k
2 s

k02

2k0ks
cos
若 v / c 1

k 2k0 sin 2
微分散射截面
d
d

r02
|
s
(s

e0
)
|2
r0

e2 4 0mec2
N||
1
2 pe
1
1
2 pe
(1
ce
)
( ce )
2 2

传播距离 l 两分量的相位差


l
0 c N||dx
l 0
1 c
2 pe
2
ce dx

1
2
e3
c 0me2
l
ne B||dx
0
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
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
电子回旋辐射功率密度 Pc 6.2 10 17 neTe B2
ＥＣＥ成像设备
2019-11-1
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37
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
ＣＡＳＴＯＲ装置上的光谱测量结果
2019-11-1
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25
用转镜实现空间扫描
FTU上Kr不同电离态的空间分布
HT-7上的光谱测量设备
2019-11-1
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26
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 τ p,Zeff 中间区 UV,X-ray 完全电离 部分剥离 部分剥离 杂质输运
FeXXIX25.5nm线得到的Doppler温度和环向旋转速度
2019-11-1
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34
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
2019-11-1
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35
辐射量热器 (bolometer)
探测器： 热敏电阻 热电偶 热释电
2019-11-1
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36
ECE测量电子温度
光谱符号 CI CII CIII CIV CV CVI
光谱类型 原子
类B离子 类Be离子 类Li离子 类He离子 类H离子 （C核）
2019-11-1
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32
从中性粒子光谱线强度计算粒子约束时间
Ｈ离子电离速率方程（考虑到粒子流）
ni t
1 r
r
(ri )
n0ne s ni ne
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 0ne 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
ຫໍສະໝຸດ Baidu
2019-11-1
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2.82 1015 m
（电子经典半径）
对非偏振波
d d

1 2
r02 (1

c os2

)
总截面 T
d d d

8 3
r02

6.65 1029 m2
2019-11-1
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4
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
只考虑电离，通过半径a处离子流量
a
ai sn0nerdr
0
平衡时的粒子守恒方程
dNe dt
4 2aRi
Ne
p
0
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τ p
2019-11-1
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33
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
2019-11-1
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知道密度分布计算极向磁场 知道极向磁场分布计算密度
20
偏振仪
测量极向磁场或电子密度
ＴＣＶ上的干涉仪－偏振仪
2019-11-1
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
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21
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)
2019-11-1
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9
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2干019散-11射-1 ：远红外激光器，小角度谢谢散聆射听。
10
典型Thomson散射测温度装置
一般采用YAG或红宝石脉冲激光
2019-11-1
在几个keV温度以上，须考虑 谢谢相聆对听 论效应，谱线发生兰移 11
2019-11-1
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14
JT-60上的集体散射测量
2019-11-1
光路
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15
５，电磁波干涉和Faraday旋转测量
干涉仪 偏振仪 反射仪
电子密度测量方法比较
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
(
s

e0
)
exp[i(
0t

k

r )]}t
s

R
/
R
e0

E0
/
E0
t R s r(0)
t
c 1

s

c

2019-11-1
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3
散射波振幅：
|
Es (R,t) |
e2 4 0mec2
E0 R
|
s

(s

e0
)
|
Ez Te
)(cm3
/
s)
z

2.7
10
13
Z
T2 1/ e
2
(cm3
/ s)
碰撞激发 自发辐射跃迁
碰撞电离 自发辐射复合
2019-11-1
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
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31
原子和离子发射光谱序列
电离次数 ０ １ ２ ３ ４ ５ ６
化学符号 C C+
C2+或C++ C3+ C4+ C5+ C6+
核心区 X-ray
完全电离 完全剥离 部分／完 Ｘ线能谱 全剥离
2019-11-1
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27
电子的轫致辐射
辐射功率密度
Pb
8 3
Z 2neni me c 3 h
( e2 )3 ( kTe )1/ 2 4 0 me
5 1037 Z 2 ne nzTe1/ 2
5 1037 Zne2Te1/ 2 (W / m3 )
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
2019-11-1
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1
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
2019-11-1