老師講義版北大5章q

第五章，等離子體診斷5.1，概述1，診斷之意義等離子體，特別是聚變等離子體，是一個多自由度的復雜系統(tǒng)。其特征不能用一些測量的概念是診斷，其意義較測量廣泛，包括對數(shù)據(jù)的分析及對集體運動模式的探測。Thomson散射、電子回旋輻射、軔致輻射、含無法準確的施行，粒子速度可能是非Maxwell分布的，用兩種而溫度是做各種物理分析必不可少的。診斷更一般的意義是：研究建立穩(wěn)定等離子體的方法及磁流體不穩(wěn)定性；決定能量體漲落以確定對等離子體輸運的影響。診斷的首要功能當然是為物理研究提供必要的數(shù)和安全運行提供ITER所關心的物理問題，所需要的診斷項目可以舉例如下表。主要物理研究課題和相應的診斷項目Te，電neTi等；根據(jù)所探測區(qū)域，可分為區(qū)，邊界區(qū)和固體表面；根據(jù)探針等。151物理研究課題診斷項目第五章，等離子體診斷5.1，概述1，診斷之意義等離子體，特別是聚變等離子體，是一個多自由度的復雜系統(tǒng)。其特征不能用一些測量的概念是診斷，其意義較測量廣泛，包括對數(shù)據(jù)的分析及對集體運動模式的探測。Thomson散射、電子回旋輻射、軔致輻射、含無法準確的施行，粒子速度可能是非Maxwell分布的，用兩種而溫度是做各種物理分析必不可少的。診斷更一般的意義是：研究建立穩(wěn)定等離子體的方法及磁流體不穩(wěn)定性；決定能量體漲落以確定對等離子體輸運的影響。診斷的首要功能當然是為物理研究提供必要的數(shù)和安全運行提供ITER所關心的物理問題，所需要的診斷項目可以舉例如下表。主要物理研究課題和相應的診斷項目Te，電neTi等；根據(jù)所探測區(qū)域，可分為區(qū)，邊界區(qū)和固體表面；根據(jù)探針等。151物理研究課題診斷項目要求等離子體約束邊界區(qū)要求好的空間分辨運轉極限參數(shù)輪廓、邊緣擾動、旋轉破裂現(xiàn)象參數(shù)輪廓、第一壁測量、逃逸電子快的時間響應反常輸運參數(shù)輪廓，漲落偏濾器物理粒子流、參數(shù)空間梯度α粒子物理αα粒子點火區(qū)研究各區(qū)域聚變功率、輻射功率穩(wěn)態(tài)燃燒研究參數(shù)輪廓2，診斷方法主要診斷方法現(xiàn)將托卡馬克研究中一些最重要物理量和研究對象的主要診斷方法Ip,UL,△x,β分別為安全因子輪廓、旋轉速度輪廓、等離子體電流、環(huán)電壓、水平位移、比壓。最重要物理量和診斷方法如上所述，對于一個物理量，可以有一種以上的診斷方法。那么，我們?nèi)绾卧诰唧w的實驗安排中選擇診斷方案呢？這要根據(jù)多種因素考慮決定。是在其迅速發(fā)展階段，如破裂，要求高的時間分辨。對微觀不穩(wěn)定性，一般要求高的時間間反演。一點可能受到限制?？捎?、題，尤其是很多診斷的精度不高。2，診斷方法主要診斷方法現(xiàn)將托卡馬克研究中一些最重要物理量和研究對象的主要診斷方法Ip,UL,△x,β分別為安全因子輪廓、旋轉速度輪廓、等離子體電流、環(huán)電壓、水平位移、比壓。最重要物理量和診斷方法如上所述，對于一個物理量，可以有一種以上的診斷方法。那么，我們?nèi)绾卧诰唧w的實驗安排中選擇診斷方案呢？這要根據(jù)多種因素考慮決定。是在其迅速發(fā)展階段，如破裂，要求高的時間分辨。對微觀不穩(wěn)定性，一般要求高的時間間反演。一點可能受到限制?？捎?、題，尤其是很多診斷的精度不高。ECE則ECE是很好的診斷方法。計算結果當作參考。備的魯棒性（robut152物理量診斷方法： 區(qū)邊界區(qū)Te激光散射，ECE，軔致輻射，發(fā)射光譜靜電探針ne微波 ，遠紅外 ，激光散射靜電探針Ti中性能譜儀，譜線展寬，中子產(chǎn)額譜線展寬q(r)ZeemanStark效應V(r)Doppler位移Mach探針MHD活動Mirnov探圈，軟Ｘ射線層析，ECE成像微觀擾動子擴散靜電探針I(yè)p,UL,△x,β各種磁探圈對物理過程的了解，特別是其時空關系，要求直觀的圖像顯示。過去，一般采用分立的測量通道將高，直接從測量系統(tǒng)輸出二維圖像成為發(fā)展趨勢。對光或電磁信號的處理和探測，如濾波、接收、混頻，過去都是用分立元件方向。主要指置于真空室內(nèi)診斷部件能適宜高溫等離子體的環(huán)境，以及反應等離子體的輻射環(huán)境。這些部件包括置于邊界處的固體探針和探圈、天線、反射鏡等。應根據(jù)所研究的物理問題及現(xiàn)有實驗條件靈活選擇診斷方法，不應拘泥于已有的模式。在數(shù)字化技術發(fā)展之前，聚變實驗研究的是各非常麻煩的事情。網(wǎng)絡技術都很快用于聚變工程的和，并推動聚變研究的進展。系統(tǒng)一般包括數(shù)據(jù)的的物理量轉變?yōu)槟M電信號。電信號在、傳輸、管理、客戶服務。多數(shù)探測器將所探測過程中要經(jīng)過光電器（圖5--1。該器件由發(fā)光二極管和光電二極管及相應線性放大電路kV以上。用光纖直接將光學信號傳入測量室。一般診斷信號的傳送和處理在對物理過程的了解，特別是其時空關系，要求直觀的圖像顯示。過去，一般采用分立的測量通道將高，直接從測量系統(tǒng)輸出二維圖像成為發(fā)展趨勢。對光或電磁信號的處理和探測，如濾波、接收、混頻，過去都是用分立元件方向。主要指置于真空室內(nèi)診斷部件能適宜高溫等離子體的環(huán)境，以及反應等離子體的輻射環(huán)境。這些部件包括置于邊界處的固體探針和探圈、天線、反射鏡等。應根據(jù)所研究的物理問題及現(xiàn)有實驗條件靈活選擇診斷方法，不應拘泥于已有的模式。在數(shù)字化技術發(fā)展之前，聚變實驗研究的是各非常麻煩的事情。網(wǎng)絡技術都很快用于聚變工程的和，并推動聚變研究的進展。系統(tǒng)一般包括數(shù)據(jù)的的物理量轉變?yōu)槟M電信號。電信號在、傳輸、管理、客戶服務。多數(shù)探測器將所探測過程中要經(jīng)過光電器（圖5--1。該器件由發(fā)光二極管和光電二極管及相應線性放大電路kV以上。用光纖直接將光學信號傳入測量室。一般診斷信號的傳送和處理在Nyquist采樣定理，采樣頻率應大于最大10混疊（liaing題所需采樣頻率低，微觀的湍流研究需要高的采樣率。計算機對接收到的測量信號予以存貯和處理，在一次放電后顯示重要數(shù)據(jù)，即所謂dischagewaveforms子的數(shù)據(jù)量越來越大，可達G（109）字節(jié)以上，迫切需要對數(shù)據(jù)進行壓縮。也就是說，在一次放電擬生物神經(jīng)運行機制的方法，有自我學習的機能。153原則上，對所原始數(shù)據(jù)的處理可以使用硬件和軟件兩種方法，論其優(yōu)缺點各有活。而軟件方法的缺點，除去耗時以外，主要來自數(shù)字信號不是連續(xù)的。5.2，磁測量1，磁探圈磁探圈又稱磁探針，是一個小回形線圈，一般為多匝。當通過的磁通發(fā)生變化時，ddt。圈足夠小時，可認為所包容的磁場近似均勻，NSB，得到輸出電壓為dBdtVNS（5-2-1）其中N為線圈匝數(shù)，S為每匝面積。它們的乘積NS是磁探圈的主要參數(shù)。1，要有高的靈敏度。這要求線圈的匝數(shù)多，面積大，即大的NS值；2，要對等離子體干擾小，如果放在真空室內(nèi)的話。要有好的空間分辨率。頻率響應，因為其時間常數(shù)L原則上，對所原始數(shù)據(jù)的處理可以使用硬件和軟件兩種方法，論其優(yōu)缺點各有活。而軟件方法的缺點，除去耗時以外，主要來自數(shù)字信號不是連續(xù)的。5.2，磁測量1，磁探圈磁探圈又稱磁探針，是一個小回形線圈，一般為多匝。當通過的磁通發(fā)生變化時，ddt。圈足夠小時，可認為所包容的磁場近似均勻，NSB，得到輸出電壓為dBdtVNS（5-2-1）其中N為線圈匝數(shù)，S為每匝面積。它們的乘積NS是磁探圈的主要參數(shù)。1，要有高的靈敏度。這要求線圈的匝數(shù)多，面積大，即大的NS值；2，要對等離子體干擾小，如果放在真空室內(nèi)的話。要有好的空間分辨率。頻率響應，因為其時間常數(shù)LR的壁厚要足夠薄以保證頻率響應。桶內(nèi)進行靜電。室這樣的磁探圈可直接用于測量托卡馬克等離子體的磁場漲落幅度。這是因為漲落的測量如果求其幅度，一般無須Fourier變換求其頻譜時，須將幅度除以頻率。器（a）和有源 器（b）器一般來說，我們使用磁探圈所要測量的不是磁場的隨時間變化率，而是磁場本身這就要求我們對所輸出的信號 從這樣的線路輸出的電壓為線路實現(xiàn)。tt11V0CIdtRC(ViV0)dt（5-2-2）00RC相當長時，輸出電壓V0較輸入電壓Vi小得多，在等式右方可以忽略。我當們再將式（5-2-1）代入Vi，就得到154NSV0BRC（5-2-3）如上所述，只有當輸出電壓V0較輸入電壓Vi小得多時，也就是RC很大時，才可忽略而得到上式。這就必然損失了測量的靈敏度。所以必須適當選擇RC值，一般在所器或稱有源5-（R器也帶來零點漂移等缺點。用磁探圈和器測量磁場需要定標，即靈敏度的矯正。靈敏度可根據(jù)其和匝半徑，電流方向相同的圓線圈）兩種。對于充分長的螺線管，其中的磁場的強度為0nI，NSV0BRC（5-2-3）如上所述，只有當輸出電壓V0較輸入電壓Vi小得多時，也就是RC很大時，才可忽略而得到上式。這就必然損失了測量的靈敏度。所以必須適當選擇RC值，一般在所器或稱有源5-（R器也帶來零點漂移等缺點。用磁探圈和器測量磁場需要定標，即靈敏度的矯正。靈敏度可根據(jù)其和匝半徑，電流方向相同的圓線圈）兩種。對于充分長的螺線管，其中的磁場的強度為0nI，n為長度匝數(shù)，I為電流。赫姆霍茲線圈是平行放置電流方向相同的一對線圈，其間距離等于它們的半徑R。其軸上中心點的磁場為0.7150NIR，N為每個線圈匝數(shù)。幾種用于托卡馬克的磁探圈：C1：逆磁探圈C2：Rogowski線圈C3：環(huán)向回線C4：Mirnov探圈C5：小磁探圈自探圈常用的磁探圈直接測量的是磁場的微分信號，須用器或數(shù)值。R，和負載電阻串聯(lián)使用。在其電路方程中，電阻項可以dI忽略，VL 式（5-2-1）得到，dtVNSILdt B（5-2-4）L可在負載電阻上測量這個正比于磁場的電流信號。因為這一磁探圈的感抗要遠大于其內(nèi)2，逆磁線圈C1是逆磁線圈，用于測量等離子體柱的逆磁效應p（4-4-27）v，aB,2即存在等離子體時的環(huán)向磁通減去真空值，可得到1551（5-2-5）pI220p可以在有無等離子體兩種情況用同一線圈測量環(huán)向磁通，將兩次得到信號相減得到，BI1（5-2-5）pI220p可以在有無等離子體兩種情況用同一線圈測量環(huán)向磁通，將兩次得到信號相減得到，BIpp和磁通本身比較是個非變其方位。所以必須仔細設計測量方案。間較電流脈沖很長時，可以測量等離子體存在時的逆磁效應在環(huán)向場線圈內(nèi)感應的電流IL，L為環(huán)向場線圈自感。方法之二是用一套在真空室外的線圈來測量逆磁效感及雜散場的效應。這是一種精度要求很高的測量。3，Rogowski線圈這種探圈用于測量脈沖電流。它實際上是一個頭尾相聯(lián)成環(huán)狀的螺線管。設其截面通為dlndAB（5-2-6）lAdl為沿螺線管軸的線元。根據(jù)安培定律Il（5-2-7）Rogowski線圈模型其中I為這一回路所封閉的總電流，為螺線管內(nèi)的材料的磁導率。因此不難得到nAI（5-2-8）器可以測等離5-2-2C2所示。具體使用時，還要串聯(lián)一個單匝線圈沿線圈軸方向返回，以抵消和所測電流平行方向磁場的變化。我們注意，只要滿足了上述近似要求，線圈在一般條件下所推公式（5-2-8）適用。如真空室有環(huán)向割縫，可將其繞在真空室以外測量等離子體電流。如果真空室無割縫則須置于真空室內(nèi)，此時須有真空等方面的要求。這樣的Rogowski線圈當然還可用于其它脈沖電流如通過各個磁體線圈的電流的測狀推導適合的計算公式。156無感電阻上的分壓來計算。4，測量位移的探圈（圓截面）對于圓截面托卡馬克，多為中小型裝置，一般可直接測量其水平和垂直位移。這一位移，是最外磁面，即等離子體表面的位移。對稱探圈這是一種測量圓截面等離子體柱位移的探圈，可對稱分布在赤道面上環(huán)11B以及BrRr 可以得到真空磁場Rr0Ip2rr r1a2[ln 1( 無感電阻上的分壓來計算。4，測量位移的探圈（圓截面）對于圓截面托卡馬克，多為中小型裝置，一般可直接測量其水平和垂直位移。這一位移，是最外磁面，即等離子體表面的位移。對稱探圈這是一種測量圓截面等離子體柱位移的探圈，可對稱分布在赤道面上環(huán)11B以及BrRr 可以得到真空磁場Rr0Ip2rr r1a2[ln 1( )]cos}2R a 2 r2B(r)（5-2-9）0Ipa2r1Br(r)4R[lna(2)(1r2)]sin現(xiàn)在利用（5-2-9）前式，使用內(nèi)外一對線圈測量極向磁場計算水平位移。設線圈分布在drd0rd，。代進這些數(shù)值后，得到兩線圈所在位置的磁場。設兩線圈的輸出分別為Uout和Uin，設d1，仍只考慮到一階量，得到水平位移U Ua2d d1d{out in[ln 1( )]}（5-2-10）U U 2R ad22out in但是必須知道的值，其中包含了等離子體內(nèi)感l(wèi)ip。這些值可以估計，p二項是一個常數(shù)，與測量數(shù)值和位移的相對關系不變，可用于位置的實時。對稱探圈（a）和余弦探圈（b）（5-2-5）測量這一徑向磁場，和角向磁157場測量結果一起處理，計算等離子體的位移。ra（--）的前一式為B(a)0Ip(1acos)（5-2-11）R所以一階量振幅和零階量之比為aR，從此可以計算li21后，可以計算l。ppi5-2-5一個寬度和sin成比例的鞍形線圈當然也可從上下對稱安裝的探圈測量垂直位移。這時得到的公式和（5-2-9）類似，但沒有涉及等離子體性質的第二項，結果只與測量信號之比有關。余弦探圈對稱探圈的缺點是須經(jīng)運算才能得到位移值，不適于實時反饋一類Rogowsi（場測量結果一起處理，計算等離子體的位移。ra（--）的前一式為B(a)0Ip(1acos)（5-2-11）R所以一階量振幅和零階量之比為aR，從此可以計算li21后，可以計算l。ppi5-2-5一個寬度和sin成比例的鞍形線圈當然也可從上下對稱安裝的探圈測量垂直位移。這時得到的公式和（5-2-9）類似，但沒有涉及等離子體性質的第二項，結果只與測量信號之比有關。余弦探圈對稱探圈的缺點是須經(jīng)運算才能得到位移值，不適于實時反饋一類Rogowsi（m=1（也往往在真空室外s（524我們姑且不計環(huán)效應，即在（5-2-9）中只計及第一項，考慮直圓柱電流的向外位移，很容易證明處于角度d的線圈的相對于等離子體中心的新的半徑為B0Ip(1cos)（5-2-12）d這一極向磁場沿小環(huán)圓周測出，再作Fourier變換就可得到這一位移。而余弦線圈就可看成用硬件實現(xiàn)這一Fourier變換。其原理和軟件的圈在環(huán)內(nèi)外側的離子影響。環(huán)效應（指一階效應）可用改進的繞法考慮在內(nèi)。O4O25，測量磁面的方法F1F3對于大型裝置或球形環(huán)，等離子體界面為非圓，上述單獨測5-2-6（星號）的布置。每一處磁探圈有垂直方向和水平方向（R方向）一對。磁通環(huán)為單匝。F5O1Z(m)F6F4F2O3O5R(m)磁探圈和磁通環(huán)的布置pick-upcoils。它們所測的是極向磁場的時間微分，經(jīng)158作用，所以測量磁面的探圈應置于真空室內(nèi)。此外，探測頻率在MHz以上的磁漲落的探圈也應置于真空室內(nèi)。只有很特殊的情況（小型裝置低參數(shù)短脈沖運轉）才能將探圈置于等離子體內(nèi)部，求（圖52作用，所以測量磁面的探圈應置于真空室內(nèi)。此外，探測頻率在MHz以上的磁漲落的探圈也應置于真空室內(nèi)。只有很特殊的情況（小型裝置低參數(shù)短脈沖運轉）才能將探圈置于等離子體內(nèi)部，求（圖527，一般使用無機的礦物絕緣線（mineral置于燃燒等離子體裝置內(nèi)的磁探圈及其引線，以及其它類似探測器，尚需有防輻射、冷卻等措施。而且，可能要考慮電動力等復雜問題。置于真空室內(nèi)的磁探圈因為環(huán)境的關系，置于等離子體內(nèi)部的磁探圈不可能做成復雜的陣列。而空間分辨shot-to-shot方法。一些小型裝置可以用這種方法得到了電流分布剖面。環(huán)向回線（磁通環(huán)）這些在極向不同位置布置的環(huán)向回線（圖5-2-2的C3）所測量的是通過不同位置大環(huán)的總磁通變化，果在徑向有空間分辨，它的空間梯度除以2R則為磁場。當?shù)入x子體處于平衡時，分布在不同極向位置的環(huán)向回線的測量信號相同，即為環(huán)電壓。當?shù)入x子體的位置或形狀或電流分可以得到等離子體“最后一個磁面”即表面的形狀。一般來說，從真空室內(nèi)的許多小磁探圈和大環(huán)方向的磁通環(huán)來測量局部極向磁場和磁通變化來計算最外磁面的形狀和位置，也就是等離子體柱的位移有兩種方法。第已有一些現(xiàn)成的程序如EFIT。使用這一程序時，往往需要提供關于等離子體壓強方面的βp。使用兩種磁面反演方法，都要考慮導電真空室上感應電流的影響。電流矩測量 使用環(huán)形等離子體界面的回路測量切向或法向磁場時，可以在測量值上疊加一個權重因子。例如上述余弦線圈就是用變化纏繞密度的方法加上一個cosgq，令qg，(q)0（5-2-13）即q是一個無旋的勢場，g是它的勢。用這個場產(chǎn)生一個等離子體內(nèi)的電流矩的利用。15911jpqdV(B)qdV[(Bq)B(q)]dV00（5-2-14）1[(Bq)Bg]dV (BqgB)dS100可以用于任何 等離子體環(huán)的環(huán)形封閉曲 置的封閉線 左側11jpqdV(B)qdV[(Bq)B(q)]dV00（5-2-14）1[(Bq)Bg]dV (BqgB)dS100可以用于任何 等離子體環(huán)的環(huán)形封閉曲 置的封閉線 左側dV2RdS，令qef/R，從（5-2-13）式得到gf1R Rzg1fzRR（5-2-15）2f1f2f0R2 RR z2fg滿足上列各式，則有1jpfdS(fBRgBn)dl（5-2-16）0BBn為法向磁場。在實驗上分別用圈測量。Rogowski線圈和鞍形線為方便起見，可將f和g按冪級數(shù)展開，例如前幾項為從第一組可得到1jdSBdl(5-2-17)p0即為安培定律。從第二組得到1jR2dS(R2B2RzB)dl(5-2-18)pn0右側第二項為零，可簡化為1R2R2Bdl(5-2-19)cIp0prRr的冪級展開，設計不同權重因子的測量線圈。這種辦法比較適用于矩形真空室。160fg10R22zR44R2z24R2z8z3/36，Mirnov探圈和關聯(lián)探圈（5-2-2C4）用于探測等離子體的低頻（圓周上。主要測量極向磁場的擾動，也可測量徑向場的擾動。6，Mirnov探圈和關聯(lián)探圈（5-2-2C4）用于探測等離子體的低頻（圓周上。主要測量極向磁場的擾動，也可測量徑向場的擾動。研究其特征（5--n置安裝探圈探測。Mirnov探圈16Mirnov探圈的輸出波形。相鄰信號之間有一個相移，角度旋轉一周的相移為6。所以這是一個典型的m3Fourier分析，得m和相應的頻率。Mirnov探圈信號和復原的擾動分布圖但這樣的測量不能直接輸出某一模式的振動強度，須經(jīng)數(shù)據(jù)處理才能得到。為了能Fourier分析，其方法就是將分布在不同極向角度的線圈根據(jù)一定規(guī)律串聯(lián)。對于所探測到的m2的模，0180度的信號同相，和90度及270度的信號反相。所以，180度的線圈串聯(lián)，m2的模式下，它們輸出同相，振幅相加。所以m2m=3的模式（線圈數(shù)目最好是3的倍數(shù)如12個。這樣的線圈通稱關聯(lián)探圈。當然還可以像余弦探圈那樣，將線圈按照密度正比于cosm或sinm纏繞。這樣可直接探測模數(shù)為m的擾動信號強度。這種方法適用于小型園截面裝置。實際上，由于環(huán)效應等，特別是對于非圓截面裝置的等離子體宏觀不穩(wěn)定性研SVD分析方法。7，導電真空室的問題如果使用置于導電真空室外的磁探圈測量真空室內(nèi)等離子體的擾動，存在真空室的1615-2-10在內(nèi)部產(chǎn)生磁場。從這等效回路可知外部磁場Bi1iB（5-2-14）e為壁的時間常數(shù)，其值為0b（3.4節(jié)。對于B為圓頻率的內(nèi)部磁場，i25-2-10在內(nèi)部產(chǎn)生磁場。從這等效回路可知外部磁場Bi1iB（5-2-14）e為壁的時間常數(shù)，其值為0b（3.4節(jié)。對于B為圓頻率的內(nèi)部磁場，i2kkHzkHz以上的磁流體擾動，如果在真空室外測量，應屬于后所以一般在真空室外探測，以避免置于真空室內(nèi)帶來的技術問題。1，一般置探圈于0b2真空室內(nèi)。如果擾動頻率很高，應使用另一壁的時間常數(shù)，w2它來自一般的趨膚深度公式，在w1時起作用。真空室壁電流等效回路8，其它測量磁場的方法迄今為止，在很多托卡馬克等聚變裝置上一直用磁探圈測量磁場。但是，磁探圈所的直接測量磁場的診斷方法。（521這種測量方法已經(jīng)開始用于一些聚變裝置。其缺點是力差，在強磁場時有非線性問題。能類似的還可以使用核磁共振探針。它利用核磁共振原理制掃描這個器件，測量共振頻率，可以計算所處磁場的數(shù)值。還可利用電磁波的Faraday效應，使偏振光在光導中未廣泛用于光學波段。這一方法的缺點是得到沿光導路徑的量，尚須進行數(shù)據(jù)處理。以上幾種替代的磁場測量方法的缺點都是設備較復雜，特別是安裝在真空室內(nèi)的條件下。1625.3，靜電探針靜電探針又稱Langmuir探針，是固體探針的一種，廣泛用于低溫等離子體，也用于高溫等離子體的邊界區(qū)域或偏濾器內(nèi)。它的理論基礎是等離子體鞘理論。1，等離子體鞘（plasmasheath）浸入等離子體的微觀電荷受到靜電作用，即德拜。在宏觀固體表面，存在流向固體表面的粒子流，高電位，并在等離子體內(nèi)部產(chǎn)生一個對電子的位阱（圖531。對容納等離子體的容器的壁而言，電子流和離子流相等的條件維持調(diào)整了這個等離子體鞘。假設離子進入鞘區(qū)時的速度為u0，鞘區(qū)是無碰撞的，坐標零點取在等離子體內(nèi)。按照能量守衡，忽略溫度效應，在鞘內(nèi)任意坐標有121(x)mu mue22（5-3-1）i0i2注意(0)0x0處(x)0。任意點的速度2eu u2（5-3-2）0mi從粒子守恒，有u0n0u(x)ni(5.3，靜電探針靜電探針又稱Langmuir探針，是固體探針的一種，廣泛用于低溫等離子體，也用于高溫等離子體的邊界區(qū)域或偏濾器內(nèi)。它的理論基礎是等離子體鞘理論。1，等離子體鞘（plasmasheath）浸入等離子體的微觀電荷受到靜電作用，即德拜。在宏觀固體表面，存在流向固體表面的粒子流，高電位，并在等離子體內(nèi)部產(chǎn)生一個對電子的位阱（圖531。對容納等離子體的容器的壁而言，電子流和離子流相等的條件維持調(diào)整了這個等離子體鞘。假設離子進入鞘區(qū)時的速度為u0，鞘區(qū)是無碰撞的，坐標零點取在等離子體內(nèi)。按照能量守衡，忽略溫度效應，在鞘內(nèi)任意坐標有121(x)mu mue22（5-3-1）i0i2注意(0)0x0處(x)0。任意點的速度2eu u2（5-3-2）0mi從粒子守恒，有u0n0u(x)ni(x)（5-3-3）2en(x)n1/2)（5-3-4）i02mui0ne(x)n0exp(ekTe，Poisson方程為dx2e2e) ]（5-3-5）002kTmuei0在很小時，展開至二階項dx2e1ee3e( 22( 2))]0mu2 8mui0kT 2kTeei0（5-3-6）)e[( )23( )2]}1111e2n{( 0kT mu2 2 kT4mu2e i0ei0上式左方為在零點附近只能往下彎，所以等式兩側皆為負，從右側一階項要求離子初速度163muC（5-3-7）0 Sinine。上式即為Bohm判據(jù)。它與另一側（壁）的niCS。這就是靜電探針飽和離子流測量的基礎。方程的解取決于另一側的邊條件，即壁處的電位。由它決定鞘的厚度。在懸浮電位條件下，這一電位應由朝向壁的電子流與離子流相等的條件決定：n（5-3-8）00mm 4kTiee得到鞘電位 kTelnmi（5-3-9）W2e muC（5-3-7）0 Sinine。上式即為Bohm判據(jù)。它與另一側（壁）的niCS。這就是靜電探針飽和離子流測量的基礎。方程的解取決于另一側的邊條件，即壁處的電位。由它決定鞘的厚度。在懸浮電位條件下，這一電位應由朝向壁的電子流與離子流相等的條件決定：n（5-3-8）00mm 4kTiee得到鞘電位 kTelnmi（5-3-9）W2e e要靠電子流調(diào)節(jié)。對于氘等離子體， 。當壁電位由外界調(diào)節(jié)時，壁電位越We負，即鞘的高度越大，鞘的寬度也越大。一般鞘寬度為幾個德拜長度。德拜長度0kTe（5-3-10）Dne2e等離子體鞘產(chǎn)生在所有與等離子體接觸的固體表面，包括等離子體的固體探電位起點的離子流的速度為離子聲速。因為離子必須以高于聲速的速度進入等離子體鞘，在這一鞘的邊緣電場不可能等于鞘（preseah。其中存在弱電場，以并形成離子流。預鞘不能用上述理論模型來描述，必須加進其它假設，如粒子不守恒（考慮中性粒子的電離，或者動量不守恒（粒子碰撞。這個預鞘的電場雖然很弱，但是由于長度的關系，也能造成大的電位降。這使得1，動能為T，仍認為能量守恒，該點位能為其負值。按照CSem2i11Boltzmann分布，該點離子密度應為中心區(qū)的exp()0.6065 。221642，單探針它的基本結構很簡單，是一根難熔金屬（鎢、鉬、鉭）絲或棒，外面一般用陶瓷管靜電。使用V（--和理想的并全一樣。靜電探針及其特性曲線實際特性曲線一般的特性曲線上的電壓是實驗上所加的電壓等離子體相對于探針電路地線所連接的參考電極的電R之和532，單探針它的基本結構很簡單，是一根難熔金屬（鎢、鉬、鉭）絲或棒，外面一般用陶瓷管靜電。使用V（--和理想的并全一樣。靜電探針及其特性曲線實際特性曲線一般的特性曲線上的電壓是實驗上所加的電壓等離子體相對于探針電路地線所連接的參考電極的電R之和534一般對等離子體呈負電位，UR就是等離子體鞘的高Vp為變量作圖，曲線應在橫向平移。靜電探針和參考電極周圍的電位分布在一個簡化模型下可從特性曲線得到一些等離子體參數(shù)。使用這一模型須滿足下列Maxwell分布；2，不存在強磁場；3，電子離子平均自由程較探針53點決定了使用的密度上限，第4點決定了密度下限。一般托卡馬克等離子體的密度在使用范圍之內(nèi)。為解釋特性曲線，設所加電壓從正到負改變。當所加偏壓很正時，探針周圍形成電（見圖5-3-5①）按照飽和電子流為運動論，這一I 1envS1enS2kTe（5-3-11）e0eeem42e其中ve為平均電子速度，S為探針有效接收面積。由于各種飽和流往往并不飽和（533當所加電壓逐漸從很大的正值減小時，電子電流不再飽和，說明加在探針上的電壓Vp開始為負。所以可以把探針特性曲線的中間部分和電子飽和流的轉折點作為Vp的零點165（535（--5③我們可建立兩個坐標系，測量系統(tǒng)用U表示，相對于等離子體的電位用V表示。二者的差為參考電極處的鞘高度UR。當所加偏壓數(shù)值繼續(xù)降低時，探針收集電流為電子電流和離子電流之差。但此時電子須克服探針的鞘層電位Vp（相對于②點，為負）才能達到探針表面。因為電子速度是Maxwell分布的，計及能量在Vp以上的數(shù)目，得到電子電流為II eVp)（（535（--5③我們可建立兩個坐標系，測量系統(tǒng)用U表示，相對于等離子體的電位用V表示。二者的差為參考電極處的鞘高度UR。當所加偏壓數(shù)值繼續(xù)降低時，探針收集電流為電子電流和離子電流之差。但此時電子須克服探針的鞘層電位Vp（相對于②點，為負）才能達到探針表面。因為電子速度是Maxwell分布的，計及能量在Vp以上的數(shù)目，得到電子電流為II eVp)（5-3-12）e e0kTe總探針電流為II eVp)I（5-3-13）e0i0kTeIi0為飽和離子流。不難得到電子溫度為d(eVp)(eU)T（5-3-14）edln(IIdln(II))i0i0即從測量半對數(shù)坐標特性曲線中間部分的斜率計算電子溫度（圖5-3-5②和④之間。這一計算無須知道橫軸的零點，所以使用實驗所加電壓得到的特性曲線數(shù)據(jù)即可。。它不同于形狀等（如壁）上的鞘，因而開路探針的懸浮電位一般也不等于參考電極電位。對靜電探針特性曲線的解釋探針特性曲線左方，相應于電壓很負的情況，屬于純的離子飽和流（534⑤，離子流是以離子聲速向探針表面的。相應離子電流為1662kTeI （5-3-15）i0 imi但實際上，測量得到的離子飽和流較這個值小。如果認為離子來自等離子體鞘的邊（5-3-15）1/2。或者說，按照（5-3-15）式得到2。（5315S就狀，而且飽和離子流及飽和電子流都與所加電壓有關。在實驗中，可先從飽和離子流的值和中間一段計算電子溫度Te，然后再計算離子密度，并從電中性條件得到電子密度（忽略高電離態(tài)雜質時認為二者相等。從探針特性曲線還可以得到參考電極處的鞘電位UR和懸浮電位VF（532kTeI （5-3-15）i0 imi但實際上，測量得到的離子飽和流較這個值小。如果認為離子來自等離子體鞘的邊（5-3-15）1/2?；蛘哒f，按照（5-3-15）式得到2。（5315S就狀，而且飽和離子流及飽和電子流都與所加電壓有關。在實驗中，可先從飽和離子流的值和中間一段計算電子溫度Te，然后再計算離子密度，并從電中性條件得到電子密度（忽略高電離態(tài)雜質時認為二者相等。從探針特性曲線還可以得到參考電極處的鞘電位UR和懸浮電位VF（535。但是由于Vp的零點，即曲線拐點的位置難于準確確定，所得到這些參數(shù)不很準確。fev)（未歸一化2/2jed cossindvf(v)dv3nev3f(v)dv（5-3-16）ee0 0vv1其中速度 下限是相當于鞘電位V的速度。以電子總能量W mveV作為新變2pep2量，得到(WeVp)f(W)dWje（5-3-17）m2eeVp分布來說，就得到前面（5-3-12）式，對于一般速度分布，微分兩次得到m2d2I) e e（5-3-18）2e3SdU2UVpUVpIeeS為Druyvesteyn公式f(eV)可以得到?jīng)r下。1673，雙探針VR靜電探針（圖536，簡稱雙探針。它是用兩個同樣的靜電探針安裝在空間接近的位置，都性曲線應是相對于原點雙探針的干擾也比單探針小得多。而中間段兩探針的電流應遵循（5-2稱，兩飽和離子流相等。Ie1Ie2exp(eU)kTe（5-3-19）eU取對數(shù)后為lnIe1lnIe2kT3，雙探針VR靜電探針（圖536，簡稱雙探針。它是用兩個同樣的靜電探針安裝在空間接近的位置，都性曲線應是相對于原點雙探針的干擾也比單探針小得多。而中間段兩探針的電流應遵循（5-2稱，兩飽和離子流相等。Ie1Ie2exp(eU)kTe（5-3-19）eU取對數(shù)后為lnIe1lnIe2kTU微商，e1dIe11dIe2 e（5-3-20）Ie1dUIe2dU IIi0Ie2Ii0I代入，得到Ie1dI e I2I2 i0 （5-3-21）dV kTe 2Ii0(dI)eIi0（5-3-22）I0dU2kTe很容易從零點附近曲線的斜率得到電子溫度，無須對縱坐標取對數(shù)。對于單探針和雙探針，可用飽和離子流可以作為等離子體密度的直接測量，因為邊線測其斜率，不利于電子溫度漲落的測量。有一種三探針方法可以直接測量電子溫度。1684，三探針（53U2U15-3-6按照（533I eV2)I I(5-3-23)e0i0 i4，三探針（53U2U15-3-6按照（533I eV2)I I(5-3-23)e0i0 i0kTe得到ln2lnIi0Ie0（5-3-24）3（531時，有Ii0Ie0exp(eVF)kTe（5-3-25）V2VF為零點，e(V2VF)ln2（5-3-26）（5-3-23）和（5-3-25）中的V2，VF都相對于等離子體，但是它們的差可以用實驗值?？梢灾苯拥玫诫娮訙囟萫(U2UF)kT（5-3-27）eln2如果電壓V就是eVU2-U1I1幾乎完全是離子飽和流，其中（5-3-23）成立。（531子流和電子流之和：eVeVp)exp(1)]I1enSmexp(1)enSC[miexp( Spemee S4kT2kT2（5-3-28）eeiee169其中Vp是探針鞘電位，由于所測的是等離子體鞘電位和Vp之和，當電流為零時，VPVFURUFUR就是等離子體鞘電位或稱等離子體電位，UF為所測懸浮電位。得到[lnm其中Vp是探針鞘電位，由于所測的是等離子體鞘電位和Vp之和，當電流為零時，VPVFURUFUR就是等離子體鞘電位或稱等離子體電位，UF為所測懸浮電位。得到[lnmi1]UT（5-3-29）R F2e Fee稱為鞘電位降系數(shù)，對氫等離子體，2.9。它也與探針UF可以為正值或負值，在圖5-3-5（5-3-29）和在討論一般鞘的理論時的（5-3-8）和（5-3-9）的區(qū)別是在此處考慮到鞘邊緣處離子密度的減少。（5--9（5-3-29）式的值略低。5，靜電探針的使用使用靜電探針要注意一些實際問題。很重要的是污染問題，即探針表面被有機物污外，在使用過程中可用離子轟擊清除污染。具體方法是在使用前加上直流負高壓放電幾分鐘。磁場會造成測量結果的偏差。在磁場不很強時，對離子飽和流的影響不大，仍可用小。在強磁場的條件下最好選探針。靜電探針可測量多種等離子體參數(shù)，但只能用于等離子體邊緣區(qū)。其使用范圍取決10ms量級。除去靜電探針以外，還有一些伸進等離子體的固體探針，如發(fā)射探針和馬赫探針，等離子體的邊界區(qū)域或偏濾器內(nèi)。6，其它固體探針發(fā)射探針（538（2000）溫度，產(chǎn)生電子發(fā)射流。當其偏壓為正時，發(fā)射電子又返回探針。偏壓低于等離子體電位時，發(fā)射電子流迭加在離子收集流之上，而且較離子收集流大得多，并隨燈絲加熱電流增加而增加（539（531）變?yōu)镮I eVp)II（5-3-30）e0i0 emkTe發(fā)射探針構造和外形170Iem為電子發(fā)射流。隨這一電子發(fā)射流的增加，懸浮電位（I為零的電位）越來一種更直接的測量等離子體電位方法。馬赫探針構造Iem為電子發(fā)射流。隨這一電子發(fā)射流的增加，懸浮電位（I為零的電位）越來一種更直接的測量等離子體電位方法。馬赫探針構造懸浮電位越來越接近等離子體電位。（--1。離子在預鞘中被 到聲速Cs達到探針。預鞘的長度為L(2a)2C/D，其中a為探s DL的區(qū)域內(nèi)無其它物體存在，預鞘為自由預鞘區(qū)。在自由預鞘區(qū)條件下，可以探測與絕緣層垂直的宏觀。馬赫探針兩側的等離子體鞘和預鞘圖--12（531（（533（）如果等離子體動面接受粒子流u和背對的粒子流d可以得到M。從流體方程得到M（5-3-31）另一和這結果近似的表達式為171/d)（5-3-32）M1（/d)（5-3-32）M1（531。一般認為，上述模型可以用在探測托卡馬克等離子體的環(huán)向測量，因不符自由預鞘區(qū)條件。，但不能定量用于極向（regardingfieldenergyanalyser）是伸進等離子體的一個一端開口（--3φb的偏壓柵。使能量高于這一電位的離子才能進入。對于一個穩(wěn)態(tài)等離子體，這個柵極尚有一加負電位-φs的（電位φc。壓φb很低時保持不變，所有入射離子進入收集器。只有當掃描電壓達到等離子體鞘電位后，等離子體鞘消失，離子流才隨掃描電壓的增加而減少。這種離子能量分析器可用來測量等離子體邊界處或偏濾室內(nèi)的離子能量分布及溫度漲落。離子能量分析器的結構和工作原理α離子閃爍探測器聚變反應產(chǎn)生的高能α粒子的回旋半徑為厘米量級，可以在等離子體邊界處直接測量其回旋半徑和投射角分布。這一探測器是一個小方盒（5-1α/投射角二維分布。探測器置于真空室內(nèi)，赤道面外下側，離子磁場漂移方向。圖5-3-14 子閃爍探測器1727，靜電探針探測漲落信號經(jīng)常用靜電探針測量等離子體的漲落。因為它可以測量密度漲落和電位漲落，都屬敏感（因為是平方根依賴關系。所測量的懸浮電位漲落也不等同于等離子體電位的漲落（539監(jiān)測溫度的漲落。在測量快速變化的信號時，探針的時間響應取決于周圍空間電荷的平衡時間。在離7，靜電探針探測漲落信號經(jīng)常用靜電探針測量等離子體的漲落。因為它可以測量密度漲落和電位漲落，都屬敏感（因為是平方根依賴關系。所測量的懸浮電位漲落也不等同于等離子體電位的漲落（539監(jiān)測溫度的漲落。在測量快速變化的信號時，探針的時間響應取決于周圍空間電荷的平衡時間。在離MHz的漲落信號。流是一種廣譜的時空漲落，其特點是kk。為探測湍流，須進行空間相關研究，在測量上，須采用探針陣列。5-3-14Caltech上的靜電探針陣列（B為磁場方向和一維探針陣列所測離子飽和流Caltech上使用的一維和二維靜電以至于不能測出實際的物理圖像，但是目前仍經(jīng)常用于等離子體參數(shù)較低的裝置。三層靜電探針實際上，使用少得多的探針數(shù)目，就可以測量某一方向上的相關。在很多實驗上，5-3-15也可測量極向的相關。從這種兩點測量也可得到它們連線方向的電場。1-10cm-1。探針設HL-2A裝置上測量帶狀流的三層探針。1735.4等離子體的輻射探測1概述等離子體的輻射探測，特別是光學波段的發(fā)射光譜診斷，是發(fā)展比較早的診斷項目X射線的波段，之一。從等離子體中發(fā)射的光譜由連續(xù)譜和線狀譜子溫度、等離子體旋轉、安全因子測量等診斷項目。裝置上的發(fā)射光譜C5-4-1。C的電離次數(shù)、化學符號、光譜符號和光譜類型的關系漸向短波移動，主要探測區(qū)域為紫外、真空紫外和5.4等離子體的輻射探測1概述等離子體的輻射探測，特別是光學波段的發(fā)射光譜診斷，是發(fā)展比較早的診斷項目X射線的波段，之一。從等離子體中發(fā)射的光譜由連續(xù)譜和線狀譜子溫度、等離子體旋轉、安全因子測量等診斷項目。裝置上的發(fā)射光譜C5-4-1。C的電離次數(shù)、化學符號、光譜符號和光譜類型的關系漸向短波移動，主要探測區(qū)域為紫外、真空紫外和X射線，輕雜質C、O被完全剝離，有更高電離態(tài)離子（主要是金屬離子）的光譜被探測到。5-4-2。174電離次數(shù)化學符號光譜符號光譜類型０CCI原子１C+CIIB離子２C2+或C++CIIIBe離子３C3+CIVLi離子４C4+CV離子５C5+CVIH離子６C6+（C核）電磁波譜，光子能量、波長、頻率、探測原理、元件類型和分光方法5-4-1Z的輕雜質（CZ不同區(qū)域的光譜行為和主要探測項目也有所不同。以現(xiàn)代大型裝置為例，列表如下。大型裝置上不同區(qū)域的電離狀態(tài)和主要診斷項目從等離子體的輻射機制來看，從電子在躍遷前后的狀態(tài)可分類為：自由態(tài)→自由態(tài)：軔致輻射、回旋輻射態(tài)→自由態(tài)→態(tài)：線輻射態(tài)：復合輻射、雙電子輻射和多原子及其離子可低，可視為光學薄，即不存在發(fā)射光子的自吸收。光譜診斷屬于非接觸測量，特別是光譜，對等離子體無任何干擾，設備簡單。機制（如鏡面污染）的措施。175區(qū)域輻射波段H,He低Ｚ雜質高Ｚ雜質主要診斷邊緣區(qū)電磁波譜，光子能量、波長、頻率、探測原理、元件類型和分光方法5-4-1Z的輕雜質（CZ不同區(qū)域的光譜行為和主要探測項目也有所不同。以現(xiàn)代大型裝置為例，列表如下。大型裝置上不同區(qū)域的電離狀態(tài)和主要診斷項目從等離子體的輻射機制來看，從電子在躍遷前后的狀態(tài)可分類為：自由態(tài)→自由態(tài)：軔致輻射、回旋輻射態(tài)→自由態(tài)→態(tài)：線輻射態(tài)：復合輻射、雙電子輻射和多原子及其離子可低，可視為光學薄，即不存在發(fā)射光子的自吸收。光譜診斷屬于非接觸測量，特別是光譜，對等離子體無任何干擾，設備簡單。機制（如鏡面污染）的措施。175區(qū)域輻射波段H,He低Ｚ雜質高Ｚ雜質主要診斷邊緣區(qū)可見,UV部分電離部分電離部分電離τp,Zeff中間區(qū)UV,X-ray完全電離部分剝離部分剝離雜質輸運區(qū)X-ray完全電離完全剝離部分／完全剝離Ｘ線能譜2，輻射探測器件在毫米波段，最基本的探測方法是用點接觸半導體二極管進行檢波，將所得信號進信號。在紅外波段，須用半導體的內(nèi)光電效應來探測。所謂內(nèi)光電效應指入射光子和半導光子有一定能量，所以這樣的器件也有一個長波限。但低溫會使這長波限增加。所以多工作在低溫（液光導型探測器。它利用光子激發(fā)的載流子引起的半導體的電導率的變化來探測入射光功率，可用于紅外和毫米波。常用的器件有InSb，H2，輻射探測器件在毫米波段，最基本的探測方法是用點接觸半導體二極管進行檢波，將所得信號進信號。在紅外波段，須用半導體的內(nèi)光電效應來探測。所謂內(nèi)光電效應指入射光子和半導光子有一定能量，所以這樣的器件也有一個長波限。但低溫會使這長波限增加。所以多工作在低溫（液光導型探測器。它利用光子激發(fā)的載流子引起的半導體的電導率的變化來探測入射光功率，可用于紅外和毫米波。常用的器件有InSb，H5-4-3光導型探測器的使用光伏型探測器利用光生伏打效應工作。它要求光照面附近有一個勢壘，pn結或Schottky勢壘，來形成電場分離光子激發(fā)的電子-空穴對，從而在勢壘兩側產(chǎn)生電勢差。此外，廣泛用熱效應制成器件進行紅外探測，例如熱電偶。還有一種熱釋電探測器這些熱效應探測器件不但可用于紅外探測，而且由于光譜范圍非常廣，也用于等離子體總輻射功率的探測研究能量平衡。其缺點是響應時間長。為減小響應時間，通常將這樣的器件做成單元體積很小的列陣。于亞毫米波段。封裝在真空管內(nèi)。光陰極由脫出功很低的金屬或半導體制成，工作時加負偏壓。當光入射到光陰極時，如果其能量超過光陰極的脫出功，就使陰極發(fā)射電子。電子在電場作用下向陽極運動，為陽極收集。當電壓超過一定值時，陽極收集的電流與電壓無關，而與光通量成正比。光電二極管輸出的電流比較弱，須經(jīng)放大，增益也較低，信噪比低。但其時間響nsps。光電倍增管（photomultipliertube,PMT）的原理和光電二極管相似，但其光陰極和陽極間加了若干二次電子倍增極（圖束，最后在陽極上得到相當強的5--4。從光陰極到二次電子倍增極再到陽極，所在各個二次電子倍增極上產(chǎn)生不斷放大的二次電子108。光電二極管和光電倍。其17610nm。光電倍增管的結構和工作原理在真空紫外波段，也可用熒光物質水楊酸納的甲醇或乙醇溶液涂在光的接收面上，350-550nm的可見光，再用其它方法接收。有兩種辦法光電倍增管的信號。一個是模擬，就是認為輸出的電流，稱為光子計數(shù)法。當入射光很弱時，適用光子計數(shù)法。光子計數(shù)法有穩(wěn)定性高、信噪比高的優(yōu)點。光子計數(shù)法測量能譜實際上，光子計數(shù)法用于高能粒子和射線探測。這就需要將高能粒子或射線的能量轉換為可見光。辦法是在光電倍增管前放一塊閃爍體（一般用硅油耦合。入射的高10nm。光電倍增管的結構和工作原理在真空紫外波段，也可用熒光物質水楊酸納的甲醇或乙醇溶液涂在光的接收面上，350-550nm的可見光，再用其它方法接收。有兩種辦法光電倍增管的信號。一個是模擬，就是認為輸出的電流，稱為光子計數(shù)法。當入射光很弱時，適用光子計數(shù)法。光子計數(shù)法有穩(wěn)定性高、信噪比高的優(yōu)點。光子計數(shù)法測量能譜實際上，光子計數(shù)法用于高能粒子和射線探測。這就需要將高能粒子或射線的能量轉換為可見光。辦法是在光電倍增管前放一塊閃爍體（一般用硅油耦合。入射的高度分析儀，對不同高度的脈沖計數(shù)，就可以得到入射粒子或射線的能譜（圖5-5。其能量絕對值可用已知能量放射源校準。上述真空光電管和光電二極管難于小型化用于空間分辨?，F(xiàn)在的光電二極管陣列（photododearra,PA）是一種固體器件（--是一個pn結陣列。當一定頻率的光入射時，光子在pn結形成的勢壘附近產(chǎn)生電子空穴對。電子空穴對發(fā)以決定光強空間分布。PDA可以是一維或二維的。光電二極管結構和工作原理177較，它的主要優(yōu)點是在紅外有很高的量子效率。沿光電倍增管的原理發(fā)展的多通道板（multichannelplate,MCP）電子倍增器也彌補器適用于紫外。在處鍍適當材料的膜可以擴展長波限。很多直管多通道式電子倍增器可以并聯(lián)形成多通道板。這樣的器件主要用于像增強器（imagentensiie較，它的主要優(yōu)點是在紅外有很高的量子效率。沿光電倍增管的原理發(fā)展的多通道板（multichannelplate,MCP）電子倍增器也彌補器適用于紫外。在處鍍適當材料的膜可以擴展長波限。很多直管多通道式電子倍增器可以并聯(lián)形成多通道板。這樣的器件主要用于像增強器（imagentensiier。它的優(yōu)點是：小型高增益；二分辨；高速響應；可用于磁攝軟X射線的發(fā)射圖像。5-4-7軟X射線成像設備coupleddevice）是一種用電荷量來表示不同狀態(tài)的動態(tài)金屬-是數(shù)據(jù)的件。CCD也可用于能量較低的X射在很多日常和研究領域，也通常用作光譜儀的線的探測。在X射線波段，傳統(tǒng)的X射線探用氣體探測器。它利用X射線在氣體中產(chǎn)生的電離電荷來射光子處于很接近陽極時才導致電離，所以輸出信號與入射光子能量無關。放大倍數(shù)與外加電壓、氣體成分與壓強有關。一般工作電壓幾千伏，放大倍狀態(tài)，單光子。正比計數(shù)器178（或鍺）單晶制成的鋰漂移型探測器。以上）常用的閃爍探測器已在前面結合光電倍增管敘述。在一些測量中需要發(fā)光強度的絕對定標，從而需要標準光源。這在可見和紫外波段tungstenrbbonlap3000K常常使用反射率。將標準光源置于其中，從小窗口發(fā)出的輻射更接近均勻的黑體。在發(fā)射光譜診斷中，空間分辨測量是重要的。在早期，經(jīng)常使用轉鏡（549近年來則使用各種多道探測設備。如果脈沖等離子體的放電重復性好，列看成系綜，進行重復測量，即所謂它診斷項目（或鍺）單晶制成的鋰漂移型探測器。以上）常用的閃爍探測器已在前面結合光電倍增管敘述。在一些測量中需要發(fā)光強度的絕對定標，從而需要標準光源。這在可見和紫外波段tungstenrbbonlap3000K常常使用反射率。將標準光源置于其中，從小窗口發(fā)出的輻射更接近均勻的黑體。在發(fā)射光譜診斷中，空間分辨測量是重要的。在早期，經(jīng)常使用轉鏡（549近年來則使用各種多道探測設備。如果脈沖等離子體的放電重復性好，列看成系綜，進行重復測量，即所謂它診斷項目裝置的轉鏡掃描設備3，連續(xù)輻射測量等離子體的連續(xù)譜輻射有軔致輻射、復合輻射和雙電子輻射。軔致輻射是帶電粒子（或碰撞造成的。其體積輻射功率，或稱輻射功率密度可表為Z2nne2kT ei()3( e)1/2Pb4 mmc3h3e0e51037Z2nnT1/2（5-4-1）eze51037Zn2T1/2(W/m3)ee為keV。對于幾種離子的情況，使用有效電荷數(shù)：其中Z為離子電荷，溫度nnz2z2kkkkk k Z（5-4-2）nzeffnkkekZ，ZZeff的意義為離子攜帶電荷數(shù)。但是在溫度較高時，高速電子可能穿透電子而直接與核作用。所以在這種情況下，Z應理解為核電荷數(shù)。有效電荷數(shù)為代表雜質水平的重要等離子體參數(shù)。正常放電情況下，輕雜質（C，O）應（金屬）應在百分之一以下，Zeff2以下。179等離子體的軔致輻射可從可見區(qū)到X射軔致輻射的頻譜很寬。采用量子力學處理。頻譜可寫為n2Ze28m)eh/kTe effe)1/2g(,T)3(e(（5-4-3）4 em2c3330eeGaunt等離子體的軔致輻射可從可見區(qū)到X射軔致輻射的頻譜很寬。采用量子力學處理。頻譜可寫為n2Ze28m)eh/kTe effe)1/2g(,T)3(e(（5-4-3）4 em2c3330eeGauntg(,Te)是頻率和溫度的緩變函數(shù)。因此頻譜主要取決于因子其中的me1/2h/kT() eeee強絕對測量時計算電子溫度，也無須定標。一是軔致輻射功率正比于電子密度平方，523nm2nm長的區(qū)間一例。X射線譜計算電子溫度Zeff。因此可以由連續(xù)譜的X決定有效電荷數(shù)的空間分布。復合輻射5-4-11種連續(xù)輻射，即復合輻射造成的。這種涉及態(tài)-自由態(tài)輻射復合OeO*Oh其中間態(tài)有一個電子躍遷。雙電子輻射過程180如下的過程稱雙電子復合dilectonicrcobintion：OeO**O如下的過程稱雙電子復合dilectonicrcobintion：OeO**Ohh1 2被俘獲也處于高激發(fā)（5--2子躍遷，故稱雙電子復合。以上兩種輻射都是連續(xù)譜，但不是光滑的連續(xù)譜。輻射光子能量為自由電子的能量與相應電子在原子或離子內(nèi)的5-4-135-4-14C離子連續(xù)譜的一計算電子溫度。C離子的連續(xù)譜輻射4，特征線輻射和日冕模型原子存在電子因而存真空紫外或軟X射線區(qū)。特征線輻射傳遞非常多的關于等離子體參數(shù)的信息。HαDαn=3→2躍遷一種邊緣擾動模式ELMH/D各種雜質的不離態(tài)按照等離子體溫度FTU裝進行絕對定標。FTUKrAr高離化態(tài)譜線沿小半徑分布，黑線和灰線為兩種模型的數(shù)值模擬計算結果181平衡類型有二，相當于兩種情形。一種是日冕模型oronalequiibrium，另一為局部熱平衡模型（oclheralequiibrum，TE靠碰撞復合向低能態(tài)躍遷。在托卡馬克和仿星器裝置中，由于密度較低、溫度高，在很多情況下適用日冕模型。在日冕模型中，某一電離態(tài)的離子數(shù)目nz隨時間變化的速率方程為dnzdtn[n 平衡類型有二，相當于兩種情形。一種是日冕模型oronalequiibrium，另一為局部熱平衡模型（oclheralequiibrum，TE靠碰撞復合向低能態(tài)躍遷。在托卡馬克和仿星器裝置中，由于密度較低、溫度高，在很多情況下適用日冕模型。在日冕模型中，某一電離態(tài)的離子數(shù)目nz隨時間變化的速率方程為dnzdtn[n n s n(s)]（5-4-4）e z1z1 z1z1 z z z當然對原子和最高電離態(tài)，右方只存在兩項。在（5-4-4）中自發(fā)輻射復合速率系數(shù)z和離態(tài)的（5-4-16?？梢宰C明平衡時z1nznz1（5-4-5）sz比較精細的模型尚須考慮輸運和電荷交換的影響。5416/Ez)1/2Ez(Ts105 e exp()(cm3/s)（5-4-6）z(Ez)3/2(6.0T/Ez)Te eEz為電離電位（。輻射躍遷速率系數(shù)可近似寫為5.21014Z(Ez/T)1/2 ez（5-4-7）[0.430.5ln(Ez/T)0.469(Ez/T)1/3](cm3/s) e ee2.71013Z2T1/2(cm3/s)（5-4-8）ze182對于不同成份不離態(tài)的兩種系數(shù)也有詳細圖表可查。日冕模型中假設碰撞激發(fā)和自發(fā)輻射去激發(fā)相平衡（圖5416，其中m和1m分別為基態(tài)和一激發(fā)態(tài)間的碰撞激發(fā)速1m對于不同成份不離態(tài)的兩種系數(shù)也有詳細圖表可查。日冕模型中假設碰撞激發(fā)和自發(fā)輻射去激發(fā)相平衡（圖5416，其中m和1m分別為基態(tài)和一激發(fā)態(tài)間的碰撞激發(fā)速1mnmmnnm/m（5-4-9）nm其中m1/mnm激發(fā)態(tài)的nm。度的函數(shù)。所以對某一種雜質，可以制成不離態(tài)份額隨電子溫度變化的圖，例如圖5-4-17（N雜質。而且，不同溫度下的各種輻射功率密度，除回旋輻射與磁場有關外，5-4-18（C雜質。5-4-18C雜質不同類型輻Pr復合輻射，Pb軔致輻射，Pt總輻射離態(tài)沿小半徑的分布（下）和根據(jù)日冕模型的計算（上）1835-4-19為PLTFe型得到的計算結果和測量數(shù)據(jù)的偏離主要因為粒子徑向運動未在模型中考慮。譜線分支比方法（branchratiomethod）在不同的平衡模型下，可以用同一雜質的兩強度比，稱為分支比方法。以日冕模型為例。從m激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)的譜線（圖5-4-16）的強度可寫為h1m1mnm，5-4-19為PLTFe型得到的計算結果和測量數(shù)據(jù)的偏離主要因為粒子徑向運動未在模型中考慮。譜線分支比方法（branchratiomethod）在不同的平衡模型下，可以用同一雜質的兩強度比，稱為分支比方法。以日冕模型為例。從m激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)的譜線（圖5-4-16）的強度可寫為h1m1mnm，mnm可從（5-4-9）得到為1mm。所以，從I1mm，p兩激發(fā)態(tài)向同一基態(tài)躍遷的譜線強度比為I1m（5-4-10）I1p c1p1ppm其中因此從一對譜線的強度比可以得到電子溫度。這樣的溫度也稱為激發(fā)電子溫度。一般來說，電離態(tài)和激發(fā)態(tài)的分布全符合日冕平衡或局部熱平衡，與具體譜線有關。一般情況下，應同時考慮自發(fā)輻射和碰撞復合，稱為碰撞輻射模型（collisionalradiativem三條譜線是728nm（31S→21P）707nm（33S→23P）668nm（31D→21P）從氦譜線強度比決定等離子體溫度密度。728nm/707nm，虛線：668nm/728nm因激發(fā)態(tài) 的碰撞，在高密度等離子體中較強。因為是電場的相互作用故有此名。Zeeman效應是磁場中譜線的Zeeman500nm的譜線的Doppler展寬。Doppler展寬它的發(fā)生機制是由于離子視向熱運動的Doppler效應。因此，通過譜Maxwell速度分布下，DopplerGauss線型184()2mc2I()I(0)exp[ 0 i ]（5-4-11）20kTi其半高寬（fullwidth()2mc2I()I(0)exp[ 0 i ]（5-4-11）20kTi其半高寬（fullwidthathalf5-4-21）為um,FWM（圖A7.68105（5-4-12）1/2mc2i譜線半高寬的定義A為離子質量數(shù)，kTieV為寬以計算離子溫度。。在托卡馬克中，可以測量雜質線的Doppler展Stark源于鄰近粒子與輻射原子或離子間的碰撞，或庫侖相互作用。設兩次連續(xù)碰撞的平均間隔時間為，那么相應的譜線展寬為1/（5-2Lorentz線型)（5-4-13）0Stark展寬模型1020m-3以上密度的等離子體，StarkLorentz線型，可用以下公式計算電子密度n8.02103/2(m3)/18（5-4-14）e1/2 1/2其中系數(shù)α弱依賴于溫度、密度。ToreSupra上測量DβStark效應，計算得到波場的強度和方向。（convolution）I()I1()I2()d()（5-4-15）再用反卷積程序分離出兩種線型。Doppler位移從視向速度引起的譜線Doppler位移可以計算原子后離子的宏觀運動速度。譜線位移和視向速度的關系是185/v/c（5-4-16）在托卡馬克中，Doppler位移主要用于測量等離子體的極向旋轉。這時，可以同時測量上/v/c（5-4-16）在托卡馬克中，Doppler位移主要用于測量等離子體的極向旋轉。這時，可以同時測量上下兩個弦上的譜線位移，它們的差就為2，而不必和無位移的標準譜線比較。一般來說，Doppler位移對測量精度的要求高于Doppler展寬測量。托卡馬克等離子體的旋轉速度在每Doppler位移。目前的光譜技術，相元的分辨率可在5-4-23DIIID上所測HeII468.6nm譜線的輪廓和位移。其中H模譜線的相對紅移來源于極向旋轉速度的不同。在這一裝置上，L0-10km/sH15-30km/s。HeII468.6nm歸一化譜線輪廓DIIID裝置上，選用氦作工作氣體，發(fā)現(xiàn)在H模運轉時邊界區(qū)的主離子的極向旋轉和雜質離子旋轉方向（質子）的運動。在CT-6B裝置上用單色儀分光,，用像增強器和光電二極管陣列接收信號，用氫燈作波長標準，觀4，其它類型輻射測量輻射測量一詞一般指全波段或某一波段的所有類型輻射功率的測量，用以研究等離子體的雜質成分、能量平衡和輸運以及宏觀不穩(wěn)定性。軟X射線輻射有單道（或多道）測量和二維成像兩種。單道或多道測量用于測量電Abel變換，而認為接收的輻射的主要成份來自熱的 部分，因為軔致輻射功率密度正比于n2T（見式（541e e1nm。比這再短波長的X射線使用相當于光柵的晶體作分光器件。其晶格常數(shù)a相當于光柵刻距。當光asink，k有聚光作用。另一種測量能譜的方法是脈沖幅度分析。186（5-4-24Z（如鈹膜）可見光。探測器一般用響應快的半導體器件，如金硅面壘探測器。以上幾種診斷一般不做絕對強度的標定。HL-2A裝置上軟（左）和輻射量熱器（右）的分布為研究能量平衡過程，用輻射量熱計（bolometer）探測等離子體的能量X由于作用基于熱效應，這些器件都作的很小，但仍有較長的響應時間。一般也用小孔成像（5-4-24Z（如鈹膜）可見光。探測器一般用響應快的半導體器件，如金硅面壘探測器。以上幾種診斷一般不做絕對強度的標定。HL-2A裝置上軟（左）和輻射量熱器（右）的分布為研究能量平衡過程，用輻射量熱計（bolometer）探測等離子體的能量X由于作用基于熱效應，這些器件都作的很小，但仍有較長的響應時間。一般也用小孔成像。量熱計的溫升T的變化可以寫作dTT（5-4-17）C cdtPin為入射功率，C為量熱計熱容量，c正比。16absoluteextremeultraviolet,AXUV)硅光二極管陣列探測輻射功率。這種探測器在很寬的能量范圍有很平的響應。一個輻射量熱計列陣需要很多引線，引起不便。目前往往使用紅外照相的方法監(jiān)測探測陣列（薄金屬箔）的溫升（--5高速照相是一種主要的等離子體診斷。傳統(tǒng)的轉鏡/膠片高速照相設備有很高的時CCD相機發(fā)展很快，在許多裝5-4-265-4-27MAST上ELM模發(fā)生時的，了一種絲狀結構。使用高速照相，通過相應的識別軟件，可以計算等離子體截面的形狀和位置。和電磁測量比較，這種測量方法可以避免電磁干擾，可用于截面和位置的。187使用高速照相和可見光波段的濾光片結合可以很方便地研究一些物理問題。干10nm。和光譜儀比較，有能量利用率高，可以二維成像的優(yōu)點。結合脈沖吹氣的吹氣成像（gaspuffingimaging,GPI）可用來研究邊界區(qū)漲落現(xiàn)象。彈丸注入時的高速照相MAST上的高速照相X射線的探測X使用高速照相和可見光波段的濾光片結合可以很方便地研究一些物理問題。干10nm。和光譜儀比較，有能量利用率高，可以二維成像的優(yōu)點。結合脈沖吹氣的吹氣成像（gaspuffingimaging,GPI）可用來研究邊界區(qū)漲落現(xiàn)象。彈丸注入時的高速照相MAST上的高速照相X射線的探測X射線主要來源于逃逸電子（runawyelectrns而形成高能的逃逸粒子。在實驗上，很多情況會產(chǎn)生逃逸電子，如密度的減少、雜質的增加。逃逸電子X射線。因為其強的穿透能力，是所有測量的干擾源。測量硬X射線的能譜可以知道逃逸電子的能量分布。X當然逃逸電子和等離子體內(nèi)部的離子碰撞也會產(chǎn)生應X射線波段的軔致輻射，如果X射線被淹沒于真空室壁上的信號，這樣的測量很使壁上發(fā)出的X射線不被探測器接收到。5-4-28等離子體中的電子受力為e(EvB)。一般熱電子的擴散主要受電場漲落的影響；而對于速度高達幾十keV以上的逃逸電子主要是磁場漲落決定擴散系數(shù)。為研究磁漲逃逸電子從邊界處發(fā)出的硬X射線的變化可以推導擴散系數(shù)，進而推算磁場漲落的幅度。1885，主動光譜接收的等離子體發(fā)射光譜雖然攜帶了不少信息，但是最大缺點是缺乏好的空間激發(fā)某種譜線予以測量以獲得等離子體參數(shù)。這種干擾，主要采用激光束或原子束。使用激光束的主動光譜的代表是激光誘導熒光（laserinducdfluorecence,LIF（5，主動光譜接收的等離子體發(fā)射光譜雖然攜帶了不少信息，但是最大缺點是缺乏好的空間激發(fā)某種譜線予以測量以獲得等離子體參數(shù)。這種干擾，主要采用激光束或原子束。使用激光束的主動光譜的代表是激光誘導熒光（laserinducdfluorecence,LIF（--31的原子或離子密度。由于每一組分的探測要求特定的入射波長，一般用可調(diào)頻的激光做光源，5-4-30限于探測原子和未完全剝離離子，在聚變裝置中的作用有限。熒光診斷原理主動光譜中5-4-30JET上的中性幾種雜質譜線，可以進行強度、譜線輪廓、位移的分析。JET上的電荷交換光譜診斷設備189注入束有這樣幾種。第一種稱熱粒子源。最早使用鋰原子束，將金屬鋰置于爐內(nèi)加熱，蒸發(fā)的鋰原子從小孔逸出，形成鋰束。其速度為熱運動速度，能量為0.1eV左右，且（5.39eV，對于大型裝置而言，其原子束往往不能的是超聲束，方向性較原子束為優(yōu)。第二種稱超熱粒子源，即使用激光吹氣注入束有這樣幾種。第一種稱熱粒子源。最早使用鋰原子束，將金屬鋰置于爐內(nèi)加熱，蒸發(fā)的鋰原子從小孔逸出，形成鋰束。其速度為熱運動速度，能量為0.1eV左右，且（5.39eV，對于大型裝置而言，其原子束往往不能的是超聲束，方向性較原子束為優(yōu)。第二種稱超熱粒子源，即使用激光吹氣10。這一方法僅能產(chǎn)生短脈沖粒子束（100μs態(tài)物質產(chǎn)生。這種方法經(jīng)常用于雜質，特別是金屬雜質輸運研究。第三種為原子束電離后，再中性化，形成診斷用高能中性粒子束。其能量可達10左右，可滲透相當深的距離并具有好的空間分辨。使用原子束的主動光譜分為束發(fā)射光譜（beamemissionspectroscopy,BES）和電荷交換復合光譜（chargeexchangerecombinationspectroscopy,CXRS）兩種。束發(fā)射光譜指需準確知道束強度。這有兩種辦法，一是測量束的輻射線強度，如H、D束Balmer系譜線強度，二是根據(jù)模型計算其沿途徑的衰減。電子密度輪廓。這是因為鋰原子的電離和激發(fā)速eV）內(nèi)與電子溫度關系不大，所以其發(fā)光強度和電子密（2p-2s）測量，由于我們知道鋰原子束的強度，可以計算靶等離子體電子密度輪廓的絕對值而無需定標。圖BES測量臺基區(qū)電子密度，補充了度之不足。儀測量主等離子體密上用鋰束測量電子密度另一方面，用超聲束方法注入的氦束，由于上述單重態(tài)和三重態(tài)譜線的區(qū)別，可以從原子譜線分支比同時決定電子密度和溫度（540TXOR上所做的。電荷交換復合光譜主要涉及離子分量的診斷。等離子體離子與束原子進行電荷交換ASDEX上使用鋰束測量完全剝離的氦離子和碳離子的