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近日，在國(guó)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(cè)儀器研制”支持下，中國(guó)科學(xué)院空天信息研究院和中國(guó)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。

觀察者網(wǎng)24日從中國(guó)科學(xué)院空天信息研究院獲悉，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(cè)量精度，電子溫度安全預(yù)警時(shí)間間隔達(dá)5毫秒，所獲得的預(yù)警時(shí)間是國(guó)際同類系統(tǒng)的一半，指標(biāo)提高一倍。這標(biāo)志著我國(guó)在該領(lǐng)域進(jìn)入國(guó)際領(lǐng)先水平行列，為我國(guó)未來(lái)磁約束聚變能裝置的高精度測(cè)量奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

中國(guó)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)”

在磁約束聚變反應(yīng)裝置工作過(guò)程中，偏濾器將承受巨大的能量泄放，需要對(duì)等離子體電子溫度進(jìn)行提前預(yù)警和實(shí)時(shí)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(cè)量是精確測(cè)量等離子體電子溫度的唯一可靠測(cè)量手段，激光的工作頻率決定了溫度預(yù)警的采樣時(shí)間間隔，間隔越小系統(tǒng)預(yù)警越及時(shí)，裝置運(yùn)行安全系數(shù)越高。

限于激光器能量和頻率水平,我國(guó)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(wú)法及時(shí)預(yù)警，導(dǎo)致裝置運(yùn)行存在巨大風(fēng)險(xiǎn)。雖然采用多臺(tái)低頻率激光器合束技術(shù)可以滿足預(yù)警時(shí)間間隔要求，但是這種方法可靠性大幅降低。歐洲和日本已經(jīng)掌握了100赫茲工作頻率的高能激光技術(shù)，預(yù)警時(shí)間間隔達(dá)到10毫秒，但這個(gè)預(yù)警時(shí)間間隔仍然較長(zhǎng)，無(wú)法完全保證裝置安全運(yùn)行。

激光系統(tǒng)

自2015年起，空天信息研究院聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所和同濟(jì)大學(xué)等單位歷時(shí)3年時(shí)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(dòng)電源等關(guān)鍵技術(shù)，于2017年4月在國(guó)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(guó)納秒脈寬激光器的功率水平提高了1個(gè)數(shù)量級(jí)。

信號(hào)光收集系統(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(guó)產(chǎn)化，形成整機(jī)工程化制造能力。以200赫茲/5焦耳激光器為光源，中國(guó)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(duì)焦、弱光信號(hào)探測(cè)提取等難題，成功地研制我國(guó)迄今精度最高的激光湯姆遜散射檢測(cè)系統(tǒng)。

研究團(tuán)隊(duì)后續(xù)將開展更高功率、更高頻率激光器研發(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(cè)系統(tǒng)提供2毫秒的安全預(yù)警時(shí)間間隔和1電子伏特的電子溫度測(cè)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。