中国科学技术大学磁约束聚变等离子体装置“科大一环”
近日，在国家重大科研装备研制项目“高功率纳秒激光器及精密探测仪器研制”支持下，中国科学院空天信息研究院和中国科学技术大学等单位联合研制出高速高精度激光汤姆逊散射仪。
今年 5 月，在“科大一环”磁约束聚变等离子体装置开展实验中，基于重复频率 200 赫兹、单脉冲能量 5 焦耳的激光脉冲，实现了小于 5 电子伏特的电子温度测量精度，电子温度安全预警时间间隔达 5 毫秒，所获得的预警时间是国际同类系统的一半，指标提高一倍。这标志着我国在该领域进入国际领先水平行列，为我国未来磁约束聚变能装置的高精度测量奠定了坚实基础。
在磁约束聚变反应装置工作过程中，偏滤器将承受巨大的能量泄放，需要对等离子体电子温度进行提前预警和实时反馈控制，实现脱靶而避免等离子体损伤器壁进而导致灾难性后果。基于高频高能激光的汤姆逊散射测量是精确测量等离子体电子温度的唯一可靠测量手段，激光的工作频率决定了温度预警的采样时间间隔，间隔越小系统预警越及时，装置运行安全系数越高。
高速高精度激光汤姆逊散射仪的激光系统
限于激光器能量和频率水平，我国以往等离子体温度诊断采用数十赫兹的低频激光器，采样间隔宽，遇到紧急情况无法及时预警，导致装置运行存在巨大风险。虽然，采用多台低频率激光器合束技术也可以满足预警时间间隔要求，但是这种方法可靠性大幅降低。
目前，欧洲和日本已经掌握了 100 赫兹工作频率的高能激光技术，预警时间间隔达到 10 毫秒，但这个预警时间间隔仍然较长，无法完全保证装置安全运行。
高速高精度激光汤姆逊散射仪的信号光收集系统
自 2015 年起，空天信息研究院联合中国科学院光电技术研究所和同济大学等单位历时 3 年时间，突破了高能量高光束质量激光传输与放大、激光相位共轭波前畸变校正、大口径/大尺寸激光放大模块、大功率脉冲激光驱动电源等关键技术，于 2017 年 4 月在国际上首次发布重复频率 200 赫兹、脉冲能量 5 焦耳、脉冲宽度 6.6 纳秒、光束质量 1.7 倍衍射极限的高频高能激光指标，将我国纳秒脉宽激光器的功率水平提高了 1 个数量级。
研究团队研发出了基本完善的工艺流程，核心器件/部件已实现国产化，并形成了整机工程化制造能力。以 200 赫兹/5 焦耳激光器为光源，中国科学技术大学攻克了大功率激光传输系统综合降噪、收集光学精准对焦、弱光信号探测提取等难题，成功地研制我国迄今精度最高的激光汤姆逊散射检测系统。
研究团队后续将开展更高功率、更高频率激光器研发和更高精度的诊断实验，计划将激光器的工作频率提高至 500 赫兹，检测系统提供 2 毫秒的安全预警时间间隔和 1 电子伏特的电子温度测量精度，为下一代磁约束聚变装置安全运行提供高速预警手段。
作者：许琦敏
编辑：许琦敏
责任编辑：樊丽萍
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文汇报
