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(gè)多自由度的復(fù)雜系統(tǒng)。其特征不能用一些測(cè)量的概念是診斷，其意義較測(cè)量廣泛，包括對(duì)數(shù)據(jù)的分析及對(duì)集體運(yùn)動(dòng)模式的探測(cè)。Thomson散射、電子回旋輻射、軔致輻射、含無法準(zhǔn)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(duì)等離子體輸運(yùn)的影響。診斷的首要功能當(dāng)然是為物理研究提供必要的數(shù)和安全運(yùn)行提供ITER所關(guān)心的物理問題，所需要的診斷項(xiàng)目可以舉例如下表。主要物理研究課題和相應(yīng)的診斷項(xiàng)目Te，電neTi等；根據(jù)所探測(cè)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(xiàng)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(gè)多自由度的復(fù)雜系統(tǒng)。其特征不能用一些測(cè)量的概念是診斷，其意義較測(cè)量廣泛，包括對(duì)數(shù)據(jù)的分析及對(duì)集體運(yùn)動(dòng)模式的探測(cè)。Thomson散射、電子回旋輻射、軔致輻射、含無法準(zhǔn)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(duì)等離子體輸運(yùn)的影響。診斷的首要功能當(dāng)然是為物理研究提供必要的數(shù)和安全運(yùn)行提供ITER所關(guān)心的物理問題，所需要的診斷項(xiàng)目可以舉例如下表。主要物理研究課題和相應(yīng)的診斷項(xiàng)目Te，電neTi等；根據(jù)所探測(cè)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(xiàng)目要求等離子體約束邊界區(qū)要求好的空間分辨運(yùn)轉(zhuǎn)極限參數(shù)輪廓、邊緣擾動(dòng)、旋轉(zhuǎn)破裂現(xiàn)象參數(shù)輪廓、第一壁測(cè)量、逃逸電子快的時(shí)間響應(yīng)反常輸運(yùn)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(diǎn)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(duì)象的主要診斷方法Ip,UL,△x,β分別為安全因子輪廓、旋轉(zhuǎn)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(duì)于一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)間分辨。對(duì)微觀不穩(wěn)定性，一般要求高的時(shí)間間反演。一點(diǎn)可能受到限制。可用、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(duì)象的主要診斷方法Ip,UL,△x,β分別為安全因子輪廓、旋轉(zhuǎn)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(duì)于一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)間分辨。對(duì)微觀不穩(wěn)定性，一般要求高的時(shí)間間反演。一點(diǎn)可能受到限制。可用、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(jì)算結(jié)果當(dāng)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(yuǎn)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(yīng)V(r)Doppler位移Mach探針MHD活動(dòng)Mirnov探圈，軟Ｘ射線層析，ECE成像微觀擾動(dòng)子擴(kuò)散靜電探針I(yè)p,UL,△x,β各種磁探圈對(duì)物理過程的了解，特別是其時(shí)空關(guān)系，要求直觀的圖像顯示。過去，一般采用分立的測(cè)量通道將高，直接從測(cè)量系統(tǒng)輸出二維圖像成為發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)光或電磁信號(hào)的處理和探測(cè)，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(yīng)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(yīng)根據(jù)所研究的物理問題及現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件靈活選擇診斷方法，不應(yīng)拘泥于已有的模式。在數(shù)字化技術(shù)發(fā)展之前，聚變實(shí)驗(yàn)研究的是各非常麻煩的事情。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都很快用于聚變工程的和，并推動(dòng)聚變研究的進(jìn)展。系統(tǒng)一般包括數(shù)據(jù)的的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電信號(hào)。電信號(hào)在、傳輸、管理、客戶服務(wù)。多數(shù)探測(cè)器將所探測(cè)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(yīng)線性放大電路kV以上。用光纖直接將光學(xué)信號(hào)傳入測(cè)量室。一般診斷信號(hào)的傳送和處理在對(duì)物理過程的了解，特別是其時(shí)空關(guān)系，要求直觀的圖像顯示。過去，一般采用分立的測(cè)量通道將高，直接從測(cè)量系統(tǒng)輸出二維圖像成為發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)光或電磁信號(hào)的處理和探測(cè)，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(yīng)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(yīng)根據(jù)所研究的物理問題及現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件靈活選擇診斷方法，不應(yīng)拘泥于已有的模式。在數(shù)字化技術(shù)發(fā)展之前，聚變實(shí)驗(yàn)研究的是各非常麻煩的事情。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都很快用于聚變工程的和，并推動(dòng)聚變研究的進(jìn)展。系統(tǒng)一般包括數(shù)據(jù)的的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電信號(hào)。電信號(hào)在、傳輸、管理、客戶服務(wù)。多數(shù)探測(cè)器將所探測(cè)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(yīng)線性放大電路kV以上。用光纖直接將光學(xué)信號(hào)傳入測(cè)量室。一般診斷信號(hào)的傳送和處理在Nyquist采樣定理，采樣頻率應(yīng)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(jì)算機(jī)對(duì)接收到的測(cè)量信號(hào)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(dá)G（109）字節(jié)以上，迫切需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。也就是說，在一次放電擬生物神經(jīng)運(yùn)行機(jī)制的方法，有自我學(xué)習(xí)的機(jī)能。153原則上，對(duì)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(diǎn)各有活。而軟件方法的缺點(diǎn)，除去耗時(shí)以外，主要來自數(shù)字信號(hào)不是連續(xù)的。5.2，磁測(cè)量1，磁探圈磁探圈又稱磁探針，是一個(gè)小回形線圈，一般為多匝。當(dāng)通過的磁通發(fā)生變化時(shí)，ddt。圈足夠小時(shí)，可認(rèn)為所包容的磁場(chǎng)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(duì)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(yīng)，因?yàn)槠鋾r(shí)間常數(shù)L原則上，對(duì)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(diǎn)各有活。而軟件方法的缺點(diǎn)，除去耗時(shí)以外，主要來自數(shù)字信號(hào)不是連續(xù)的。5.2，磁測(cè)量1，磁探圈磁探圈又稱磁探針，是一個(gè)小回形線圈，一般為多匝。當(dāng)通過的磁通發(fā)生變化時(shí)，ddt。圈足夠小時(shí)，可認(rèn)為所包容的磁場(chǎng)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(duì)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(yīng)，因?yàn)槠鋾r(shí)間常數(shù)LR的壁厚要足夠薄以保證頻率響應(yīng)。桶內(nèi)進(jìn)行靜電。室這樣的磁探圈可直接用于測(cè)量托卡馬克等離子體的磁場(chǎng)漲落幅度。這是因?yàn)闈q落的測(cè)量如果求其幅度，一般無須Fourier變換求其頻譜時(shí)，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(cè)量的不是磁場(chǎng)的隨時(shí)間變化率，而是磁場(chǎng)本身這就要求我們對(duì)所輸出的信號(hào) 從這樣的線路輸出的電壓為線路實(shí)現(xiàn)。tt11V0CIdtRC(ViV0)dt（5-2-2）00RC相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)，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(dāng)們?cè)賹⑹剑?-2-1）代入Vi，就得到154NSV0BRC（5-2-3）如上所述，只有當(dāng)輸出電壓V0較輸入電壓Vi小得多時(shí)，也就是RC很大時(shí)，才可忽略而得到上式。這就必然損失了測(cè)量的靈敏度。所以必須適當(dāng)選擇RC值，一般在所器或稱有源5-（R器也帶來零點(diǎn)漂移等缺點(diǎn)。用磁探圈和器測(cè)量磁場(chǎng)需要定標(biāo)，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(duì)于充分長(zhǎng)的螺線管，其中的磁場(chǎng)的強(qiáng)度為0nI，NSV0BRC（5-2-3）如上所述，只有當(dāng)輸出電壓V0較輸入電壓Vi小得多時(shí)，也就是RC很大時(shí)，才可忽略而得到上式。這就必然損失了測(cè)量的靈敏度。所以必須適當(dāng)選擇RC值，一般在所器或稱有源5-（R器也帶來零點(diǎn)漂移等缺點(diǎn)。用磁探圈和器測(cè)量磁場(chǎng)需要定標(biāo)，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(duì)于充分長(zhǎng)的螺線管，其中的磁場(chǎng)的強(qiáng)度為0nI，n為長(zhǎng)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(duì)線圈，其間距離等于它們的半徑R。其軸上中心點(diǎn)的磁場(chǎng)為0.7150NIR，N為每個(gè)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(cè)量的是磁場(chǎng)的微分信號(hào)，須用器或數(shù)值。R，和負(fù)載電阻串聯(lián)使用。在其電路方程中，電阻項(xiàng)可以dI忽略，VL 式（5-2-1）得到，dtVNSILdt B（5-2-4）L可在負(fù)載電阻上測(cè)量這個(gè)正比于磁場(chǎng)的電流信號(hào)。因?yàn)檫@一磁探圈的感抗要遠(yuǎn)大于其內(nèi)2，逆磁線圈C1是逆磁線圈，用于測(cè)量等離子體柱的逆磁效應(yīng)p（4-4-27）v，aB,2即存在等離子體時(shí)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(cè)量環(huán)向磁通，將兩次得到信號(hào)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(cè)量環(huán)向磁通，將兩次得到信號(hào)相減得到，BIpp和磁通本身比較是個(gè)非變其方位。所以必須仔細(xì)設(shè)計(jì)測(cè)量方案。間較電流脈沖很長(zhǎng)時(shí)，可以測(cè)量等離子體存在時(shí)的逆磁效應(yīng)在環(huán)向場(chǎng)線圈內(nèi)感應(yīng)的電流IL，L為環(huán)向場(chǎng)線圈自感。方法之二是用一套在真空室外的線圈來測(cè)量逆磁效感及雜散場(chǎng)的效應(yīng)。這是一種精度要求很高的測(cè)量。3，Rogowski線圈這種探圈用于測(cè)量脈沖電流。它實(shí)際上是一個(gè)頭尾相聯(lián)成環(huán)狀的螺線管。設(shè)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(dǎo)率。因此不難得到nAI（5-2-8）器可以測(cè)等離5-2-2C2所示。具體使用時(shí)，還要串聯(lián)一個(gè)單匝線圈沿線圈軸方向返回，以抵消和所測(cè)電流平行方向磁場(chǎng)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(cè)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(shí)須有真空等方面的要求。這樣的Rogowski線圈當(dāng)然還可用于其它脈沖電流如通過各個(gè)磁體線圈的電流的測(cè)狀推導(dǎo)適合的計(jì)算公式。156無感電阻上的分壓來計(jì)算。4，測(cè)量位移的探圈（圓截面）對(duì)于圓截面托卡馬克，多為中小型裝置，一般可直接測(cè)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(duì)稱探圈這是一種測(cè)量圓截面等離子體柱位移的探圈，可對(duì)稱分布在赤道面上環(huán)11B以及BrRr 可以得到真空磁場(chǎng)Rr0Ip2rr r1a2[ln 1( 無感電阻上的分壓來計(jì)算。4，測(cè)量位移的探圈（圓截面）對(duì)于圓截面托卡馬克，多為中小型裝置，一般可直接測(cè)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(duì)稱探圈這是一種測(cè)量圓截面等離子體柱位移的探圈，可對(duì)稱分布在赤道面上環(huán)11B以及BrRr 可以得到真空磁場(chǎng)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(duì)線圈測(cè)量極向磁場(chǎng)計(jì)算水平位移。設(shè)線圈分布在drd0rd，。代進(jìn)這些數(shù)值后，得到兩線圈所在位置的磁場(chǎng)。設(shè)兩線圈的輸出分別為Uout和Uin，設(shè)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(jì)，p二項(xiàng)是一個(gè)常數(shù)，與測(cè)量數(shù)值和位移的相對(duì)關(guān)系不變，可用于位置的實(shí)時(shí)。對(duì)稱探圈（a）和余弦探圈（b）（5-2-5）測(cè)量這一徑向磁場(chǎng)，和角向磁157場(chǎng)測(cè)量結(jié)果一起處理，計(jì)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(jì)算li21后，可以計(jì)算l。ppi5-2-5一個(gè)寬度和sin成比例的鞍形線圈當(dāng)然也可從上下對(duì)稱安裝的探圈測(cè)量垂直位移。這時(shí)得到的公式和（5-2-9）類似，但沒有涉及等離子體性質(zhì)的第二項(xiàng)，結(jié)果只與測(cè)量信號(hào)之比有關(guān)。余弦探圈對(duì)稱探圈的缺點(diǎn)是須經(jīng)運(yùn)算才能得到位移值，不適于實(shí)時(shí)反饋一類Rogowsi（場(chǎng)測(cè)量結(jié)果一起處理，計(jì)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(jì)算li21后，可以計(jì)算l。ppi5-2-5一個(gè)寬度和sin成比例的鞍形線圈當(dāng)然也可從上下對(duì)稱安裝的探圈測(cè)量垂直位移。這時(shí)得到的公式和（5-2-9）類似，但沒有涉及等離子體性質(zhì)的第二項(xiàng)，結(jié)果只與測(cè)量信號(hào)之比有關(guān)。余弦探圈對(duì)稱探圈的缺點(diǎn)是須經(jīng)運(yùn)算才能得到位移值，不適于實(shí)時(shí)反饋一類Rogowsi（m=1（也往往在真空室外s（524我們姑且不計(jì)環(huán)效應(yīng)，即在（5-2-9）中只計(jì)及第一項(xiàng)，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(duì)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(chǎng)沿小環(huán)圓周測(cè)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(shí)現(xiàn)這一Fourier變換。其原理和軟件的圈在環(huán)內(nèi)外側(cè)的離子影響。環(huán)效應(yīng)（指一階效應(yīng)）可用改進(jìn)的繞法考慮在內(nèi)。O4O25，測(cè)量磁面的方法F1F3對(duì)于大型裝置或球形環(huán)，等離子體界面為非圓，上述單獨(dú)測(cè)5-2-6（星號(hào)）的布置。每一處磁探圈有垂直方向和水平方向（R方向）一對(duì)。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(cè)的是極向磁場(chǎng)的時(shí)間微分，經(jīng)158作用，所以測(cè)量磁面的探圈應(yīng)置于真空室內(nèi)。此外，探測(cè)頻率在MHz以上的磁漲落的探圈也應(yīng)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(yùn)轉(zhuǎn)）才能將探圈置于等離子體內(nèi)部，求（圖52作用，所以測(cè)量磁面的探圈應(yīng)置于真空室內(nèi)。此外，探測(cè)頻率在MHz以上的磁漲落的探圈也應(yīng)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(yùn)轉(zhuǎn)）才能將探圈置于等離子體內(nèi)部，求（圖527，一般使用無機(jī)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(cè)器，尚需有防輻射、冷卻等措施。而且，可能要考慮電動(dòng)力等復(fù)雜問題。置于真空室內(nèi)的磁探圈因?yàn)榄h(huán)境的關(guān)系，置于等離子體內(nèi)部的磁探圈不可能做成復(fù)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(cè)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(chǎng)。當(dāng)?shù)入x子體處于平衡時(shí)，分布在不同極向位置的環(huán)向回線的測(cè)量信號(hào)相同，即為環(huán)電壓。當(dāng)?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(gè)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(cè)量局部極向磁場(chǎng)和磁通變化來計(jì)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(shí)，往往需要提供關(guān)于等離子體壓強(qiáng)方面的βp。使用兩種磁面反演方法，都要考慮導(dǎo)電真空室上感應(yīng)電流的影響。電流矩測(cè)量 使用環(huán)形等離子體界面的回路測(cè)量切向或法向磁場(chǎng)時(shí)，可以在測(cè)量值上疊加一個(gè)權(quán)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(gè)cosgq，令qg，(q)0（5-2-13）即q是一個(gè)無旋的勢(shì)場(chǎng)，g是它的勢(shì)。用這個(gè)場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)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(cè)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(cè)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(chǎng)。在實(shí)驗(yàn)上分別用圈測(cè)量。Rogowski線圈和鞍形線為方便起見，可將f和g按冪級(jí)數(shù)展開，例如前幾項(xiàng)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(cè)第二項(xiàng)為零，可簡(jiǎn)化為1R2R2Bdl(5-2-19)cIp0prRr的冪級(jí)展開，設(shè)計(jì)不同權(quán)重因子的測(cè)量線圈。這種辦法比較適用于矩形真空室。160fg10R22zR44R2z24R2z8z3/36，Mirnov探圈和關(guān)聯(lián)探圈（5-2-2C4）用于探測(cè)等離子體的低頻（圓周上。主要測(cè)量極向磁場(chǎng)的擾動(dòng)，也可測(cè)量徑向場(chǎng)的擾動(dòng)。6，Mirnov探圈和關(guān)聯(lián)探圈（5-2-2C4）用于探測(cè)等離子體的低頻（圓周上。主要測(cè)量極向磁場(chǎng)的擾動(dòng)，也可測(cè)量徑向場(chǎng)的擾動(dòng)。研究其特征（5--n置安裝探圈探測(cè)。Mirnov探圈16Mirnov探圈的輸出波形。相鄰信號(hào)之間有一個(gè)相移，角度旋轉(zhuǎn)一周的相移為6。所以這是一個(gè)典型的m3Fourier分析，得m和相應(yīng)的頻率。Mirnov探圈信號(hào)和復(fù)原的擾動(dòng)分布圖但這樣的測(cè)量不能直接輸出某一模式的振動(dòng)強(qiáng)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(duì)于所探測(cè)到的m2的模，0180度的信號(hào)同相，和90度及270度的信號(hào)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(gè)。這樣的線圈通稱關(guān)聯(lián)探圈。當(dāng)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(cè)模數(shù)為m的擾動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度。這種方法適用于小型園截面裝置。實(shí)際上，由于環(huán)效應(yīng)等，特別是對(duì)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(dǎo)電真空室的問題如果使用置于導(dǎo)電真空室外的磁探圈測(cè)量真空室內(nèi)等離子體的擾動(dòng)，存在真空室的1615-2-10在內(nèi)部產(chǎn)生磁場(chǎng)。從這等效回路可知外部磁場(chǎng)Bi1iB（5-2-14）e為壁的時(shí)間常數(shù)，其值為0b（3.4節(jié)。對(duì)于B為圓頻率的內(nèi)部磁場(chǎng)，i25-2-10在內(nèi)部產(chǎn)生磁場(chǎng)。從這等效回路可知外部磁場(chǎng)Bi1iB（5-2-14）e為壁的時(shí)間常數(shù)，其值為0b（3.4節(jié)。對(duì)于B為圓頻率的內(nèi)部磁場(chǎng)，i2kkHzkHz以上的磁流體擾動(dòng)，如果在真空室外測(cè)量，應(yīng)屬于后所以一般在真空室外探測(cè)，以避免置于真空室內(nèi)帶來的技術(shù)問題。1，一般置探圈于0b2真空室內(nèi)。如果擾動(dòng)頻率很高，應(yīng)使用另一壁的時(shí)間常數(shù)，w2它來自一般的趨膚深度公式，在w1時(shí)起作用。真空室壁電流等效回路8，其它測(cè)量磁場(chǎng)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(cè)量磁場(chǎng)。但是，磁探圈所的直接測(cè)量磁場(chǎng)的診斷方法。（521這種測(cè)量方法已經(jīng)開始用于一些聚變裝置。其缺點(diǎn)是力差，在強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)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(gè)器件，測(cè)量共振頻率，可以計(jì)算所處磁場(chǎng)的數(shù)值。還可利用電磁波的Faraday效應(yīng)，使偏振光在光導(dǎo)中未廣泛用于光學(xué)波段。這一方法的缺點(diǎn)是得到沿光導(dǎo)路徑的量，尚須進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。以上幾種替代的磁場(chǎng)測(cè)量方法的缺點(diǎn)都是設(shè)備較復(fù)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(chǔ)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(gè)對(duì)電子的位阱（圖531。對(duì)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(gè)等離子體鞘。假設(shè)離子進(jìn)入鞘區(qū)時(shí)的速度為u0，鞘區(qū)是無碰撞的，坐標(biāo)零點(diǎn)取在等離子體內(nèi)。按照能量守衡，忽略溫度效應(yīng)，在鞘內(nèi)任意坐標(biāo)有121(x)mu mue22（5-3-1）i0i2注意(0)0x0處(x)0。任意點(diǎn)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(chǔ)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(gè)對(duì)電子的位阱（圖531。對(duì)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(gè)等離子體鞘。假設(shè)離子進(jìn)入鞘區(qū)時(shí)的速度為u0，鞘區(qū)是無碰撞的，坐標(biāo)零點(diǎn)取在等離子體內(nèi)。按照能量守衡，忽略溫度效應(yīng)，在鞘內(nèi)任意坐標(biāo)有121(x)mu mue22（5-3-1）i0i2注意(0)0x0處(x)0。任意點(diǎn)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(shí)，展開至二階項(xiàng)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(diǎn)附近只能往下彎，所以等式兩側(cè)皆為負(fù)，從右側(cè)一階項(xiàng)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(cè)（壁）的niCS。這就是靜電探針飽和離子流測(cè)量的基礎(chǔ)。方程的解取決于另一側(cè)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(yīng)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(cè)（壁）的niCS。這就是靜電探針飽和離子流測(cè)量的基礎(chǔ)。方程的解取決于另一側(cè)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(yīng)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(duì)于氘等離子體， 。當(dāng)壁電位由外界調(diào)節(jié)時(shí)，壁電位越We負(fù)，即鞘的高度越大，鞘的寬度也越大。一般鞘寬度為幾個(gè)德拜長(zhǎng)度。德拜長(zhǎng)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(diǎn)的離子流的速度為離子聲速。因?yàn)殡x子必須以高于聲速的速度進(jìn)入等離子體鞘，在這一鞘的邊緣電場(chǎng)不可能等于鞘（preseah。其中存在弱電場(chǎng)，以并形成離子流。預(yù)鞘不能用上述理論模型來描述，必須加進(jìn)其它假設(shè)，如粒子不守恒（考慮中性粒子的電離，或者動(dòng)量不守恒（粒子碰撞。這個(gè)預(yù)鞘的電場(chǎng)雖然很弱，但是由于長(zhǎng)度的關(guān)系，也能造成大的電位降。這使得1，動(dòng)能為T，仍認(rèn)為能量守恒，該點(diǎn)位能為其負(fù)值。按照CSem2i11Boltzmann分布，該點(diǎn)離子密度應(yīng)為中心區(qū)的exp()0.6065 。221642，單探針?biāo)幕窘Y(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)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(shí)際特性曲線一般的特性曲線上的電壓是實(shí)驗(yàn)上所加的電壓等離子體相對(duì)于探針電路地線所連接的參考電極的電R之和532，單探針?biāo)幕窘Y(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)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(shí)際特性曲線一般的特性曲線上的電壓是實(shí)驗(yàn)上所加的電壓等離子體相對(duì)于探針電路地線所連接的參考電極的電R之和534一般對(duì)等離子體呈負(fù)電位，UR就是等離子體鞘的高Vp為變量作圖，曲線應(yīng)在橫向平移。靜電探針和參考電極周圍的電位分布在一個(gè)簡(jiǎn)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(qiáng)磁場(chǎng)；3，電子離子平均自由程較探針53點(diǎn)決定了使用的密度上限，第4點(diǎn)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(shè)所加電壓從正到負(fù)改變。當(dāng)所加偏壓很正時(shí)，探針周圍形成電（見圖5-3-5①）按照飽和電子流為運(yùn)動(dòng)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(dāng)所加電壓逐漸從很大的正值減小時(shí)，電子電流不再飽和，說明加在探針上的電壓Vp開始為負(fù)。所以可以把探針特性曲線的中間部分和電子飽和流的轉(zhuǎn)折點(diǎn)作為Vp的零點(diǎn)165（535（--5③我們可建立兩個(gè)坐標(biāo)系，測(cè)量系統(tǒng)用U表示，相對(duì)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(dāng)所加偏壓數(shù)值繼續(xù)降低時(shí)，探針收集電流為電子電流和離子電流之差。但此時(shí)電子須克服探針的鞘層電位Vp（相對(duì)于②點(diǎn)，為負(fù)）才能達(dá)到探針表面。因?yàn)殡娮铀俣仁荕axwell分布的，計(jì)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(gè)坐標(biāo)系，測(cè)量系統(tǒng)用U表示，相對(duì)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(dāng)所加偏壓數(shù)值繼續(xù)降低時(shí)，探針收集電流為電子電流和離子電流之差。但此時(shí)電子須克服探針的鞘層電位Vp（相對(duì)于②點(diǎn)，為負(fù)）才能達(dá)到探針表面。因?yàn)殡娮铀俣仁荕axwell分布的，計(jì)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(cè)量半對(duì)數(shù)坐標(biāo)特性曲線中間部分的斜率計(jì)算電子溫度（圖5-3-5②和④之間。這一計(jì)算無須知道橫軸的零點(diǎn)，所以使用實(shí)驗(yàn)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(duì)靜電探針特性曲線的解釋探針特性曲線左方，相應(yīng)于電壓很負(fù)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(yīng)離子電流為1662kTeI （5-3-15）i0 imi但實(shí)際上，測(cè)量得到的離子飽和流較這個(gè)值小。如果認(rèn)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(guān)。在實(shí)驗(yàn)中，可先從飽和離子流的值和中間一段計(jì)算電子溫度Te，然后再計(jì)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(zhì)時(shí)認(rèn)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(shí)際上，測(cè)量得到的離子飽和流較這個(gè)值小。如果認(rèn)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(guān)。在實(shí)驗(yàn)中，可先從飽和離子流的值和中間一段計(jì)算電子溫度Te，然后再計(jì)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(zhì)時(shí)認(rèn)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(diǎn)，即曲線拐點(diǎn)的位置難于準(zhǔn)確確定，所得到這些參數(shù)不很準(zhǔn)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(dāng)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(duì)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(jiǎn)稱雙探針。它是用兩個(gè)同樣的靜電探針安裝在空間接近的位置，都性曲線應(yīng)是相對(duì)于原點(diǎn)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(yīng)遵循（5-2稱，兩飽和離子流相等。Ie1Ie2exp(eU)kTe（5-3-19）eU取對(duì)數(shù)后為lnIe1lnIe2kT3，雙探針VR靜電探針（圖536，簡(jiǎn)稱雙探針。它是用兩個(gè)同樣的靜電探針安裝在空間接近的位置，都性曲線應(yīng)是相對(duì)于原點(diǎn)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(yīng)遵循（5-2稱，兩飽和離子流相等。Ie1Ie2exp(eU)kTe（5-3-19）eU取對(duì)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(diǎn)附近曲線的斜率得到電子溫度，無須對(duì)縱坐標(biāo)取對(duì)數(shù)。對(duì)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(cè)量，因?yàn)檫吘€測(cè)其斜率，不利于電子溫度漲落的測(cè)量。有一種三探針方法可以直接測(cè)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(shí)，有Ii0Ie0exp(eVF)kTe（5-3-25）V2VF為零點(diǎn)，e(V2VF)ln2（5-3-26）（5-3-23）和（5-3-25）中的V2，VF都相對(duì)于等離子體，但是它們的差可以用實(shí)驗(yàn)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(cè)的是等離子體鞘電位和Vp之和，當(dāng)電流為零時(shí)，VPVFURUFUR就是等離子體鞘電位或稱等離子體電位，UF為所測(cè)懸浮電位。得到[lnm其中Vp是探針鞘電位，由于所測(cè)的是等離子體鞘電位和Vp之和，當(dāng)電流為零時(shí)，VPVFURUFUR就是等離子體鞘電位或稱等離子體電位，UF為所測(cè)懸浮電位。得到[lnmi1]UT（5-3-29）R F2e Fee稱為鞘電位降系數(shù)，對(duì)氫等離子體，2.9。它也與探針UF可以為正值或負(fù)值，在圖5-3-5（5-3-29）和在討論一般鞘的理論時(shí)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(shí)際問題。很重要的是污染問題，即探針表面被有機(jī)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(fù)高壓放電幾分鐘。磁場(chǎng)會(huì)造成測(cè)量結(jié)果的偏差。在磁場(chǎng)不很強(qiáng)時(shí)，對(duì)離子飽和流的影響不大，仍可用小。在強(qiáng)磁場(chǎng)的條件下最好選探針。靜電探針可測(cè)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(jí)。除去靜電探針以外，還有一些伸進(jìn)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(dāng)其偏壓為正時(shí)，發(fā)射電子又返回探針。偏壓低于等離子體電位時(shí)，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(gòu)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(cè)量等離子體電位方法。馬赫探針構(gòu)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(cè)量等離子體電位方法。馬赫探針構(gòu)造懸浮電位越來越接近等離子體電位。（--1。離子在預(yù)鞘中被 到聲速Cs達(dá)到探針。預(yù)鞘的長(zhǎng)度為L(zhǎng)(2a)2C/D，其中a為探s DL的區(qū)域內(nèi)無其它物體存在，預(yù)鞘為自由預(yù)鞘區(qū)。在自由預(yù)鞘區(qū)條件下，可以探測(cè)與絕緣層垂直的宏觀。馬赫探針兩側(cè)的等離子體鞘和預(yù)鞘圖--12（531（（533（）如果等離子體動(dòng)面接受粒子流u和背對(duì)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(jié)果近似的表達(dá)式為171/d)（5-3-32）M1（/d)（5-3-32）M1（531。一般認(rèn)為，上述模型可以用在探測(cè)托卡馬克等離子體的環(huán)向測(cè)量，因不符自由預(yù)鞘區(qū)條件。，但不能定量用于極向（regardingfieldenergyanalyser）是伸進(jìn)等離子體的一個(gè)一端開口（--3φb的偏壓柵。使能量高于這一電位的離子才能進(jìn)入。對(duì)于一個(gè)穩(wěn)態(tài)等離子體，這個(gè)柵極尚有一加負(fù)電位-φs的（電位φc。壓φb很低時(shí)保持不變，所有入射離子進(jìn)入收集器。只有當(dāng)掃描電壓達(dá)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(cè)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(jié)構(gòu)和工作原理α離子閃爍探測(cè)器聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高能α粒子的回旋半徑為厘米量級(jí)，可以在等離子體邊界處直接測(cè)量其回旋半徑和投射角分布。這一探測(cè)器是一個(gè)小方盒（5-1α/投射角二維分布。探測(cè)器置于真空室內(nèi)，赤道面外下側(cè)，離子磁場(chǎng)漂移方向。圖5-3-14 子閃爍探測(cè)器1727，靜電探針探測(cè)漲落信號(hào)經(jīng)常用靜電探針測(cè)量等離子體的漲落。因?yàn)樗梢詼y(cè)量密度漲落和電位漲落，都屬敏感（因?yàn)槭瞧椒礁蕾囮P(guān)系。所測(cè)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(cè)溫度的漲落。在測(cè)量快速變化的信號(hào)時(shí)，探針的時(shí)間響應(yīng)取決于周圍空間電荷的平衡時(shí)間。在離7，靜電探針探測(cè)漲落信號(hào)經(jīng)常用靜電探針測(cè)量等離子體的漲落。因?yàn)樗梢詼y(cè)量密度漲落和電位漲落，都屬敏感（因?yàn)槭瞧椒礁蕾囮P(guān)系。所測(cè)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(cè)溫度的漲落。在測(cè)量快速變化的信號(hào)時(shí)，探針的時(shí)間響應(yīng)取決于周圍空間電荷的平衡時(shí)間。在離MHz的漲落信號(hào)。流是一種廣譜的時(shí)空漲落，其特點(diǎn)是kk。為探測(cè)湍流，須進(jìn)行空間相關(guān)研究，在測(cè)量上，須采用探針陣列。5-3-14Caltech上的靜電探針陣列（B為磁場(chǎng)方向和一維探針陣列所測(cè)離子飽和流Caltech上使用的一維和二維靜電以至于不能測(cè)出實(shí)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(shí)際上，使用少得多的探針數(shù)目，就可以測(cè)量某一方向上的相關(guān)。在很多實(shí)驗(yàn)上，5-3-15也可測(cè)量極向的相關(guān)。從這種兩點(diǎn)測(cè)量也可得到它們連線方向的電場(chǎng)。1-10cm-1。探針設(shè)HL-2A裝置上測(cè)量帶狀流的三層探針。1735.4等離子體的輻射探測(cè)1概述等離子體的輻射探測(cè)，特別是光學(xué)波段的發(fā)射光譜診斷，是發(fā)展比較早的診斷項(xiàng)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(zhuǎn)、安全因子測(cè)量等診斷項(xiàng)目。裝置上的發(fā)射光譜C5-4-1。C的電離次數(shù)、化學(xué)符號(hào)、光譜符號(hào)和光譜類型的關(guān)系漸向短波移動(dòng)，主要探測(cè)區(qū)域?yàn)樽贤?、真空紫外?.4等離子體的輻射探測(cè)1概述等離子體的輻射探測(cè)，特別是光學(xué)波段的發(fā)射光譜診斷，是發(fā)展比較早的診斷項(xiàng)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(zhuǎn)、安全因子測(cè)量等診斷項(xiàng)目。裝置上的發(fā)射光譜C5-4-1。C的電離次數(shù)、化學(xué)符號(hào)、光譜符號(hào)和光譜類型的關(guān)系漸向短波移動(dòng)，主要探測(cè)區(qū)域?yàn)樽贤?、真空紫外和X射線，輕雜質(zhì)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(cè)到。5-4-2。174電離次數(shù)化學(xué)符號(hào)光譜符號(hào)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(zhǎng)、頻率、探測(cè)原理、元件類型和分光方法5-4-1Z的輕雜質(zhì)（CZ不同區(qū)域的光譜行為和主要探測(cè)項(xiàng)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(xiàng)目從等離子體的輻射機(jī)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(fù)合輻射、雙電子輻射和多原子及其離子可低，可視為光學(xué)薄，即不存在發(fā)射光子的自吸收。光譜診斷屬于非接觸測(cè)量，特別是光譜，對(duì)等離子體無任何干擾，設(shè)備簡(jiǎn)單。機(jī)制（如鏡面污染）的措施。175區(qū)域輻射波段H,He低Ｚ雜質(zhì)高Ｚ雜質(zhì)主要診斷邊緣區(qū)電磁波譜，光子能量、波長(zhǎng)、頻率、探測(cè)原理、元件類型和分光方法5-4-1Z的輕雜質(zhì)（CZ不同區(qū)域的光譜行為和主要探測(cè)項(xiàng)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(xiàng)目從等離子體的輻射機(jī)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(fù)合輻射、雙電子輻射和多原子及其離子可低，可視為光學(xué)薄，即不存在發(fā)射光子的自吸收。光譜診斷屬于非接觸測(cè)量，特別是光譜，對(duì)等離子體無任何干擾，設(shè)備簡(jiǎn)單。機(jī)制（如鏡面污染）的措施。175區(qū)域輻射波段H,He低Ｚ雜質(zhì)高Ｚ雜質(zhì)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(zhì)輸運(yùn)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(cè)器件在毫米波段，最基本的探測(cè)方法是用點(diǎn)接觸半導(dǎo)體二極管進(jìn)行檢波，將所得信號(hào)進(jìn)信號(hào)。在紅外波段，須用半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)來探測(cè)。所謂內(nèi)光電效應(yīng)指入射光子和半導(dǎo)光子有一定能量，所以這樣的器件也有一個(gè)長(zhǎng)波限。但低溫會(huì)使這長(zhǎng)波限增加。所以多工作在低溫（液光導(dǎo)型探測(cè)器。它利用光子激發(fā)的載流子引起的半導(dǎo)體的電導(dǎo)率的變化來探測(cè)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(cè)器件在毫米波段，最基本的探測(cè)方法是用點(diǎn)接觸半導(dǎo)體二極管進(jìn)行檢波，將所得信號(hào)進(jìn)信號(hào)。在紅外波段，須用半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)來探測(cè)。所謂內(nèi)光電效應(yīng)指入射光子和半導(dǎo)光子有一定能量，所以這樣的器件也有一個(gè)長(zhǎng)波限。但低溫會(huì)使這長(zhǎng)波限增加。所以多工作在低溫（液光導(dǎo)型探測(cè)器。它利用光子激發(fā)的載流子引起的半導(dǎo)體的電導(dǎo)率的變化來探測(cè)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(dǎo)型探測(cè)器的使用光伏型探測(cè)器利用光生伏打效應(yīng)工作。它要求光照面附近有一個(gè)勢(shì)壘，pn結(jié)或Schottky勢(shì)壘，來形成電場(chǎng)分離光子激發(fā)的電子-空穴對(duì)，從而在勢(shì)壘兩側(cè)產(chǎn)生電勢(shì)差。此外，廣泛用熱效應(yīng)制成器件進(jìn)行紅外探測(cè)，例如熱電偶。還有一種熱釋電探測(cè)器這些熱效應(yīng)探測(cè)器件不但可用于紅外探測(cè)，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(cè)研究能量平衡。其缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。為減小響應(yīng)時(shí)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(dǎo)體制成，工作時(shí)加負(fù)偏壓。當(dāng)光入射到光陰極時(shí)，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(chǎng)作用下向陽極運(yùn)動(dòng)，為陽極收集。當(dāng)電壓超過一定值時(shí)，陽極收集的電流與電壓無關(guān)，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(shí)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(dāng)強(qiáng)的5--4。從光陰極到二次電子倍增極再到陽極，所在各個(gè)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(jié)構(gòu)和工作原理在真空紫外波段，也可用熒光物質(zhì)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(hào)。一個(gè)是模擬，就是認(rèn)為輸出的電流，稱為光子計(jì)數(shù)法。當(dāng)入射光很弱時(shí)，適用光子計(jì)數(shù)法。光子計(jì)數(shù)法有穩(wěn)定性高、信噪比高的優(yōu)點(diǎn)。光子計(jì)數(shù)法測(cè)量能譜實(shí)際上，光子計(jì)數(shù)法用于高能粒子和射線探測(cè)。這就需要將高能粒子或射線的能量轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)和工作原理在真空紫外波段，也可用熒光物質(zhì)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(hào)。一個(gè)是模擬，就是認(rèn)為輸出的電流，稱為光子計(jì)數(shù)法。當(dāng)入射光很弱時(shí)，適用光子計(jì)數(shù)法。光子計(jì)數(shù)法有穩(wěn)定性高、信噪比高的優(yōu)點(diǎn)。光子計(jì)數(shù)法測(cè)量能譜實(shí)際上，光子計(jì)數(shù)法用于高能粒子和射線探測(cè)。這就需要將高能粒子或射線的能量轉(zhuǎn)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(duì)不同高度的脈沖計(jì)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(duì)值可用已知能量放射源校準(zhǔn)。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(gè)pn結(jié)陣列。當(dāng)一定頻率的光入射時(shí)，光子在pn結(jié)形成的勢(shì)壘附近產(chǎn)生電子空穴對(duì)。電子空穴對(duì)發(fā)以決定光強(qiáng)空間分布。PDA可以是一維或二維的。光電二極管結(jié)構(gòu)和工作原理177較，它的主要優(yōu)點(diǎn)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(bǔ)器適用于紫外。在處鍍適當(dāng)材料的膜可以擴(kuò)展長(zhǎng)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(qiáng)器（imagentensiie較，它的主要優(yōu)點(diǎn)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(bǔ)器適用于紫外。在處鍍適當(dāng)材料的膜可以擴(kuò)展長(zhǎng)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(qiáng)器（imagentensiier。它的優(yōu)點(diǎn)是：小型高增益；二分辨；高速響應(yīng)；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(shè)備coupleddevice）是一種用電荷量來表示不同狀態(tài)的動(dòng)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(lǐng)域，也通常用作光譜儀的線的探測(cè)。在X射線波段，傳統(tǒng)的X射線探用氣體探測(cè)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(shí)才導(dǎo)致電離，所以輸出信號(hào)與入射光子能量無關(guān)。放大倍數(shù)與外加電壓、氣體成分與壓強(qiáng)有關(guān)。一般工作電壓幾千伏，放大倍狀態(tài)，單光子。正比計(jì)數(shù)器178（或鍺）單晶制成的鋰漂移型探測(cè)器。以上）常用的閃爍探測(cè)器已在前面結(jié)合光電倍增管敘述。在一些測(cè)量中需要發(fā)光強(qiáng)度的絕對(duì)定標(biāo)，從而需要標(biāo)準(zhǔn)光源。這在可見和紫外波段tungstenrbbonlap3000K常常使用反射率。將標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量是重要的。在早期，經(jīng)常使用轉(zhuǎn)鏡（549近年來則使用各種多道探測(cè)設(shè)備。如果脈沖等離子體的放電重復(fù)性好，列看成系綜，進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，即所謂它診斷項(xiàng)目（或鍺）單晶制成的鋰漂移型探測(cè)器。以上）常用的閃爍探測(cè)器已在前面結(jié)合光電倍增管敘述。在一些測(cè)量中需要發(fā)光強(qiáng)度的絕對(duì)定標(biāo)，從而需要標(biāo)準(zhǔn)光源。這在可見和紫外波段tungstenrbbonlap3000K常常使用反射率。將標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量是重要的。在早期，經(jīng)常使用轉(zhuǎn)鏡（549近年來則使用各種多道探測(cè)設(shè)備。如果脈沖等離子體的放電重復(fù)性好，列看成系綜，進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，即所謂它診斷項(xiàng)目裝置的轉(zhuǎn)鏡掃描設(shè)備3，連續(xù)輻射測(cè)量等離子體的連續(xù)譜輻射有軔致輻射、復(fù)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(duì)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(shí)，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(yīng)理解為核電荷數(shù)。有效電荷數(shù)為代表雜質(zhì)水平的重要等離子體參數(shù)。正常放電情況下，輕雜質(zhì)（C，O）應(yīng)（金屬）應(yīng)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(xué)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(xué)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(qiáng)絕對(duì)測(cè)量時(shí)計(jì)算電子溫度，也無須定標(biāo)。一是軔致輻射功率正比于電子密度平方，523nm2nm長(zhǎng)的區(qū)間一例。X射線譜計(jì)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(fù)合輻射5-4-11種連續(xù)輻射，即復(fù)合輻射造成的。這種涉及態(tài)-自由態(tài)輻射復(fù)合OeO*Oh其中間態(tài)有一個(gè)電子躍遷。雙電子輻射過程180如下的過程稱雙電子復(fù)合dilectonicrcobintion：OeO**O如下的過程稱雙電子復(fù)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(fù)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(yīng)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(jì)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(guān)于等離子體參數(shù)的信息。HαDαn=3→2躍遷一種邊緣擾動(dòng)模式ELMH/D各種雜質(zhì)的不離態(tài)按照等離子體溫度FTU裝進(jìn)行絕對(duì)定標(biāo)。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(jì)算結(jié)果181平衡類型有二，相當(dāng)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(fù)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(shí)間變化的速率方程為dnzdtn[n 平衡類型有二，相當(dāng)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(fù)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(shí)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(dāng)然對(duì)原子和最高電離態(tài)，右方只存在兩項(xiàng)。在（5-4-4）中自發(fā)輻射復(fù)合速率系數(shù)z和離態(tài)的（5-4-16?？梢宰C明平衡時(shí)z1nznz1（5-4-5）sz比較精細(xì)的模型尚須考慮輸運(yùn)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(duì)于不同成份不離態(tài)的兩種系數(shù)也有詳細(xì)圖表可查。日冕模型中假設(shè)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(duì)于不同成份不離態(tài)的兩種系數(shù)也有詳細(xì)圖表可查。日冕模型中假設(shè)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(duì)某一種雜質(zhì)，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(zhì)。而且，不同溫度下的各種輻射功率密度，除回旋輻射與磁場(chǎng)有關(guān)外，5-4-18（C雜質(zhì)。5-4-18C雜質(zhì)不同類型輻Pr復(fù)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(jì)算（上）1835-4-19為PLTFe型得到的計(jì)算結(jié)果和測(cè)量數(shù)據(jù)的偏離主要因?yàn)榱Ｗ訌较蜻\(yùn)動(dòng)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(zhì)的兩強(qiáng)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(qiáng)度可寫為h1m1mnm，5-4-19為PLTFe型得到的計(jì)算結(jié)果和測(cè)量數(shù)據(jù)的偏離主要因?yàn)榱Ｗ訌较蜻\(yùn)動(dòng)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(zhì)的兩強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度比為I1m（5-4-10）I1p c1p1ppm其中因此從一對(duì)譜線的強(qiáng)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(guān)。一般情況下，應(yīng)同時(shí)考慮自發(fā)輻射和碰撞復(fù)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(qiáng)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(qiáng)。因?yàn)槭请妶?chǎng)的相互作用故有此名。Zeeman效應(yīng)是磁場(chǎng)中譜線的Zeeman500nm的譜線的Doppler展寬。Doppler展寬它的發(fā)生機(jī)制是由于離子視向熱運(yùn)動(dòng)的Doppler效應(yīng)。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(zhì)量數(shù)，kTieV為寬以計(jì)算離子溫度。。在托卡馬克中，可以測(cè)量雜質(zhì)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(shè)兩次連續(xù)碰撞的平均間隔時(shí)間為，那么相應(yīng)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(jì)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(cè)量DβStark效應(yīng)，計(jì)算得到波場(chǎng)的強(qiáng)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(jì)算原子后離子的宏觀運(yùn)動(dòng)速度。譜線位移和視向速度的關(guān)系是185/v/c（5-4-16）在托卡馬克中，Doppler位移主要用于測(cè)量等離子體的極向旋轉(zhuǎn)。這時(shí)，可以同時(shí)測(cè)量上/v/c（5-4-16）在托卡馬克中，Doppler位移主要用于測(cè)量等離子體的極向旋轉(zhuǎn)。這時(shí)，可以同時(shí)測(cè)量上下兩個(gè)弦上的譜線位移，它們的差就為2，而不必和無位移的標(biāo)準(zhǔn)譜線比較。一般來說，Doppler位移對(duì)測(cè)量精度的要求高于Doppler展寬測(cè)量。托卡馬克等離子體的旋轉(zhuǎn)速度在每Doppler位移。目前的光譜技術(shù)，相元的分辨率可在5-4-23DIIID上所測(cè)HeII468.6nm譜線的輪廓和位移。其中H模譜線的相對(duì)紅移來源于極向旋轉(zhuǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)邊界區(qū)的主離子的極向旋轉(zhuǎn)和雜質(zhì)離子旋轉(zhuǎn)方向（質(zhì)子）的運(yùn)動(dòng)。在CT-6B裝置上用單色儀分光,，用像增強(qiáng)器和光電二極管陣列接收信號(hào)，用氫燈作波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)，觀4，其它類型輻射測(cè)量輻射測(cè)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(cè)量，用以研究等離子體的雜質(zhì)成分、能量平衡和輸運(yùn)以及宏觀不穩(wěn)定性。軟X射線輻射有單道（或多道）測(cè)量和二維成像兩種。單道或多道測(cè)量用于測(cè)量電Abel變換，而認(rèn)為接收的輻射的主要成份來自熱的 部分，因?yàn)檐愔螺椛涔β拭芏日扔趎2T（見式（541e e1nm。比這再短波長(zhǎng)的X射線使用相當(dāng)于光柵的晶體作分光器件。其晶格常數(shù)a相當(dāng)于光柵刻距。當(dāng)光asink，k有聚光作用。另一種測(cè)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(cè)器一般用響應(yīng)快的半導(dǎo)體器件，如金硅面壘探測(cè)器。以上幾種診斷一般不做絕對(duì)強(qiáng)度的標(biāo)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(jì)（bolometer）探測(cè)等離子體的能量X由于作用基于熱效應(yīng)，這些器件都作的很小，但仍有較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間。一般也用小孔成像（5-4-24Z（如鈹膜）可見光。探測(cè)器一般用響應(yīng)快的半導(dǎo)體器件，如金硅面壘探測(cè)器。以上幾種診斷一般不做絕對(duì)強(qiáng)度的標(biāo)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(jì)（bolometer）探測(cè)等離子體的能量X由于作用基于熱效應(yīng)，這些器件都作的很小，但仍有較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間。一般也用小孔成像。量熱計(jì)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(jì)熱容量，c正比。16absoluteextremeultraviolet,AXUV)硅光二極管陣列探測(cè)輻射功率。這種探測(cè)器在很寬的能量范圍有很平的響應(yīng)。一個(gè)輻射量熱計(jì)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(cè)探測(cè)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(zhuǎn)鏡/膠片高速照相設(shè)備有很高的時(shí)CCD相機(jī)發(fā)展很快，在許多裝5-4-265-4-27MAST上ELM模發(fā)生時(shí)的，了一種絲狀結(jié)構(gòu)。使用高速照相，通過相應(yīng)的識(shí)別軟件，可以計(jì)算等離子體截面的形狀和位置。和電磁測(cè)量比較，這種測(cè)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(jié)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(diǎn)。結(jié)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(shí)的高速照相MAST上的高速照相X射線的探測(cè)X使用高速照相和可見光波段的濾光片結(jié)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(diǎn)。結(jié)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(shí)的高速照相MAST上的高速照相X射線的探測(cè)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(shí)驗(yàn)上，很多情況會(huì)產(chǎn)生逃逸電子，如密度的減少、雜質(zhì)的增加。逃逸電子X射線。因?yàn)槠鋸?qiáng)的穿透能力，是所有測(cè)量的干擾源。測(cè)量硬X射線的能譜可以知道逃逸電子的能量分布。X當(dāng)然逃逸電子和等離子體內(nèi)部的離子碰撞也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)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(hào)，這樣的測(cè)量很使壁上發(fā)出的X射線不被探測(cè)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(kuò)散主要受電場(chǎng)漲落的影響；而對(duì)于速度高達(dá)幾十keV以上的逃逸電子主要是磁場(chǎng)漲落決定擴(kuò)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(dǎo)擴(kuò)散系數(shù)，進(jìn)而推算磁場(chǎng)漲落的幅度。1885，主動(dòng)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(diǎn)是缺乏好的空間激發(fā)某種譜線予以測(cè)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(dòng)光譜的代表是激光誘導(dǎo)熒光（laserinducdfluorecence,LIF（5，主動(dòng)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(diǎn)是缺乏好的空間激發(fā)某種譜線予以測(cè)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(dòng)光譜的代表是激光誘導(dǎo)熒光（laserinducdfluorecence,LIF（--31的原子或離子密度。由于每一組分的探測(cè)要求特定的入射波長(zhǎng)，一般用可調(diào)頻的激光做光源，5-4-30限于探測(cè)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(dòng)光譜中5-4-30JET上的中性幾種雜質(zhì)譜線，可以進(jìn)行強(qiáng)度、譜線輪廓、位移的分析。JET上的電荷交換光譜診斷設(shè)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(yùn)動(dòng)速度，能量為0.1eV左右，且（5.39eV，對(duì)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(yùn)動(dòng)速度，能量為0.1eV左右，且（5.39eV，對(duì)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(zhì)產(chǎn)生。這種方法經(jīng)常用于雜質(zhì)，特別是金屬雜質(zhì)輸運(yùn)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(dá)10左右，可滲透相當(dāng)深的距離并具有好的空間分辨。使用原子束的主動(dòng)光譜分為束發(fā)射光譜（beamemissionspectroscopy,BES）和電荷交換復(fù)合光譜（chargeexchangerecombinationspectroscopy,CXRS）兩種。束發(fā)射光譜指需準(zhǔn)確知道束強(qiáng)度。這有兩種辦法，一是測(cè)量束的輻射線強(qiáng)度，如H、D束Balmer系譜線強(qiáng)度，二是根據(jù)模型計(jì)算其沿途徑的衰減。電子密度輪廓。這是因?yàn)殇囋拥碾婋x和激發(fā)速eV）內(nèi)與電子溫度關(guān)系不大，所以其發(fā)光強(qiáng)度和電子密（2p-2s）測(cè)量，由于我們知道鋰原子束的強(qiáng)度，可以計(jì)算靶等離子體電子密度輪廓的絕對(duì)值而無需定標(biāo)。圖BES測(cè)量臺(tái)基區(qū)電子密度，補(bǔ)充了度之不足。儀測(cè)量主等離子體密上用鋰束測(cè)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(shí)決定電子密度和溫度（540TXOR上所做的。電荷交換復(fù)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(jìn)行電荷交換ASDEX上使用鋰束測(cè)量完全剝離的氦離子和碳離子的