近日，等離子體所診斷組承擔(dān)研制的超高時空分辨率湯姆遜散射診斷系統(tǒng)順利通過專家驗(yàn)收。該診斷系統(tǒng)可分別在4kHz YAG激光超高頻模式(10個脈沖)和100Hz YAG激光連續(xù)模式下實(shí)現(xiàn)等離子體電子溫度、密度全空間同步測量。目前，該診斷系統(tǒng)是國際上由單臺激光器實(shí)現(xiàn)的頻率最高的湯姆遜散射診斷。

電子溫度、密度分布是聚變裝置重要的基本參數(shù)，也是很多聚變物理問題研究的基礎(chǔ)。激光湯姆遜散射診斷通過電子在激光作用下的散射譜形狀和強(qiáng)度獲得電子溫度、密度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由于其原理清晰，被國際公認(rèn)為是聚變研究中最可靠的電子溫度、密度分布診斷手段，是包括ITER在內(nèi)國際各聚變裝置優(yōu)先發(fā)展的診斷手段。由于湯姆遜散射診斷需要在納秒級時間內(nèi)分析激光與電子產(chǎn)生的光子量級的散射譜，此系統(tǒng)對于激光器、弱快信號探測技術(shù)提出了極高的要求，被聚變研究中認(rèn)為是最難的幾個診斷之一，此前只有少數(shù)幾個發(fā)達(dá)國家具有完整的研制能力。

對于以高參數(shù)、長脈沖為目標(biāo)的EAST來說，1億度以上的電子溫度必須由湯姆遜散射準(zhǔn)確測量，但1億度電子激光散射譜譜寬更寬、強(qiáng)度更弱，要想獲得高精度信號，對系統(tǒng)激光器和探測器提出了更高的要求，即需要考慮快速物理過程也要兼顧診斷穩(wěn)定運(yùn)行時間可達(dá)1000秒以上。

近年來，等離子體所激光湯姆遜散射課題組針對EAST裝置實(shí)驗(yàn)需求，不斷吸收消化國際先進(jìn)激光、探測技術(shù)，成功發(fā)展了具有超高時空分辨率的湯姆遜散射診斷系統(tǒng)。近期，該研究團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)性地提出一種串脈沖方法并開展技術(shù)攻關(guān)，成功研制出了具有特色的4kHz/3J YAG脈沖激光器。同時攻克高性能散射光分光、紅外弱快信號探測、高速采集、高效激光傳輸和自動準(zhǔn)直關(guān)鍵技術(shù)難題，該系統(tǒng)在EAST裝置上成功實(shí)現(xiàn)了空間45測量點(diǎn)、最高時間分辨250μs、最高空間分辨率3mm、電子溫度與密度誤差分別小于10%和15%的全空間電子溫度密度分布測量。該系統(tǒng)是目前國際上頻率最高的由單臺激光器實(shí)現(xiàn)的YAG湯姆遜散射診斷系統(tǒng)，其主要關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)達(dá)到世界前沿水平，尤其是4kHz高功率激光器已遠(yuǎn)超目前主流裝置上普遍使用的幾十赫茲以及ITER在研的300Hz激光器。

同時，該研究團(tuán)隊(duì)通過全腔水冷結(jié)構(gòu)，研制完成3.5J/100Hz全燈泵浦工作模式激光器，該激光器可在3.5J大功率模式下以100Hz連續(xù)穩(wěn)定工作10多分鐘，激光器綜合參數(shù)已達(dá)國際前沿水平。該激光器通過激光合束技術(shù)實(shí)現(xiàn)與4kHz激光器的協(xié)同工作，為EAST長脈沖穩(wěn)態(tài)運(yùn)行多時間尺度研究提供可靠的研究手段。目前已完成的EAST湯姆遜散射診斷系統(tǒng)在時間分辨率(4kHz)、空間分辨率(3mm)和運(yùn)行穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)方面均達(dá)到世界前沿水平。

相關(guān)工作是在科技部國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)“EAST等離子體關(guān)鍵分布參數(shù)對外部功率動態(tài)響應(yīng)的研究”“EAST高約束模式下邊界輸運(yùn)壘精細(xì)結(jié)構(gòu)研究”和國家自然基金項(xiàng)目共同支持下得以完成，已為EAST成功實(shí)現(xiàn)100秒H模和電子溫度一億度等離子體放電等重大成果提供了重要的數(shù)據(jù)支持。