圖為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)磁約束聚變等離子體裝置“科大一環(huán)” 中科院空天信息研究院供圖
記者從中國科學(xué)院空天信息研究院獲悉，近日，在國家重大科研裝備研制項(xiàng)目“高功率納秒激光器及精密探測儀器研制”支持下，中國科學(xué)院空天信息研究院和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位聯(lián)合研制出高速高精度激光湯姆遜散射儀。這標(biāo)志著我國在該領(lǐng)域達(dá)到國際領(lǐng)先水平，為未來磁約束聚變能裝置的高精度測量奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
據(jù)科研人員介紹，在磁約束聚變反應(yīng)裝置工作過程中，偏濾器將承受巨大的能量泄放，需要對等離子體電子溫度進(jìn)行提前預(yù)警和實(shí)時反饋控制，實(shí)現(xiàn)脫靶而避免等離子體損傷器壁進(jìn)而導(dǎo)致災(zāi)難性后果。基于高頻高能激光的湯姆遜散射測量是精確測量等離子體電子溫度的唯一可靠測量手段，激光的工作頻率決定了溫度預(yù)警的采樣時間間隔，間隔越小系統(tǒng)預(yù)警越及時，裝置運(yùn)行安全系數(shù)越高。
然而，限于激光器能量和頻率水平,我國以往等離子體溫度診斷采用數(shù)十赫茲的低頻激光器，采樣間隔寬，遇到緊急情況無法及時預(yù)警，導(dǎo)致裝置運(yùn)行存在巨大風(fēng)險。在這一背景下，自2015年起，空天信息研究院聯(lián)合中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所和同濟(jì)大學(xué)等單位歷時3年時間，突破了高能量高光束質(zhì)量激光傳輸與放大、激光相位共軛波前畸變校正、大口徑/大尺寸激光放大模塊、大功率脈沖激光驅(qū)動電源等關(guān)鍵技術(shù)，于2017年4月在國際上首次發(fā)布重復(fù)頻率200赫茲、脈沖能量5焦耳、脈沖寬度6.6納秒、光束質(zhì)量1.7倍衍射極限的高頻高能激光指標(biāo)，將我國納秒脈寬激光器的功率水平提高了1個數(shù)量級。
今年5月，在“科大一環(huán)”磁約束聚變等離子體裝置開展實(shí)驗(yàn)中，基于重復(fù)頻率200赫茲、單脈沖能量5焦耳的激光脈沖，實(shí)現(xiàn)了小于5電子伏特的電子溫度測量精度，電子溫度安全預(yù)警時間間隔達(dá)5毫秒，所獲得的預(yù)警時間是國際同類系統(tǒng)的一半，指標(biāo)提高一倍。
以200赫茲/5焦耳激光器為光源，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)攻克了大功率激光傳輸系統(tǒng)綜合降噪、收集光學(xué)精準(zhǔn)對焦、弱光信號探測提取等難題，成功地研制我國迄今精度最高的激光湯姆遜散射檢測系統(tǒng)。研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出基本完善的工藝流程，核心器件/部件實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，形成了整機(jī)工程化制造能力。
記者了解到，研究團(tuán)隊(duì)后續(xù)將開展更高功率、更高頻率激光器的研發(fā)和更高精度的診斷實(shí)驗(yàn),計(jì)劃將激光器的工作頻率提高至500赫茲，檢測系統(tǒng)提供2毫秒的安全預(yù)警時間間隔和1電子伏特的電子溫度測量精度，為下一代磁約束聚變裝置安全運(yùn)行提供高速預(yù)警手段。
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