毫米波成像診斷在托卡馬克中應用簡述

毫米波，指波長為1mm－10mm范圍內的高頻電磁波，位于微波與遠紅外交疊的部分，具有帶寬較寬，波束分辨率高，受氣候影響小和器件體積小等優點。近年來毫米波源技術及相關探測技術已經得到了廣泛的應用。高溫等離子體是聚變能工程中的重要組成部分，現在國際上的主要研究方向包括磁約束方式，慣性約束方式兩種。兩種研究方向中，又各自分為多種技術路線。例如磁約束中的托卡馬克、反場箍縮、仿星器、磁鏡等，慣性約束中的激光打靶、重離子束打靶等。這里我們主要介紹毫米波成像診斷在磁約束托卡馬克裝置中的應用。

微波／毫米波診斷以其非介入性、高時空分辨能力和高穩定性成為托卡馬克內部等離子體參數診斷的主要方法之一。經過數十年的發展和積累，已經形成了多種成熟可靠的診斷方法，例如用于診斷等離子體邊界密度徑向分布的微波反射計、診斷等離子體溫度徑向分布的電子回旋輻射計，診斷等離子體弦平均密度的毫米波干涉儀，診斷等離子體內部電流分布的毫米波極化儀等。我國中科院等離子體的現役的EAST裝置，西南核物理研究院的HL－2A裝置，華中科技大學的J－TEXT裝置上都普遍使用了微波／毫米波診斷方法。

雖然上述診斷技術在長期的服役期間證明了其性能的優良和可靠，但隨著等離子體參數的提高和對等離子體物理研究的深入，由于診斷技術本身的限制，空間分辨率低，觀測范圍有限等都成為了物理現象觀測和診斷的限制。由高能粒子驅動的空間高波束磁流體不穩定性、微湍流結構造成的輸運等問題，就需要空間分辨率更高，觀測范圍更廣的診斷方法。

電子回旋輻射成像（Electron Cyclotron Emission Imaging，簡稱ECEI）和微波成像反射計(Microwave Imaging Reflectometer，簡稱MIR)兩項毫米波成像診斷技術利用精巧的設計與先進的微波技術，突破了傳統診斷的技術瓶頸，實現了空間分辨率高、觀測范圍大、調節靈活的要求。這兩項先進的診斷技術已經成為新型診斷技術的典型例子，自2002年首次在德國TEXTOR托卡馬克上應用，并獲得成功，就此揭開了診斷技術走向可視化和智能化的帷幕。

作為電子回旋輻射計（Electron Cyclotron Emission Radiometer，簡稱ECER）的技術延伸，電子回旋輻射成像ECEI沿用了ECER的二次混頻，分頻檢波的技術路線。但與傳統的ECER不同的是，ECEI使用極向探測陣列代替ECER的單一探測單元，并配置前端毫米波成像光學系統來實現提高極向分辨率（5cm分辨率提升至8mm分辨率），拓展觀測范圍（觀測范圍從極向10cm拓展到80cm）。ECEI拓展了極向觀測的維度，實現了電子溫度分布的二維實時成像（極向和極向）。彌補了傳統ECER單一徑向維度觀測的限制。從表面上看，ECEI只是將原有的ECER進行了極向排布，并沒有顯著的進步；而實際情況并非如此簡單，在提高極向分辨率的同時，必然會面對以下三個問題。第一，極向分辨率的提高，必然會伴隨采樣體積的減小，從而導致接收到的輻射信號強度減小，對探測器技術提出了更為苛刻的要求，同時也對空間噪聲屏蔽性能提出更高的要求。第二，由于毫米波的空間傳輸準直范圍（及Rayleigh Length）與空間分辨率有關，從而導致高空間分辨率的ECEI比低分辨率的ECER的徑向觀測范圍小，如何拓展ECEI的徑向觀測范圍已保證其徑向全局的觀測，也是ECEI需要解決的問題。第三，由于極向采用探測陣列，配置相對應的電子學系統，會導致成像診斷的成本過高，體積過大。直觀想象一下，同樣是接收器的收音機（Radio）與單反相機（Imaging Camera），其售價之間存在顯著的差別。設計制造性能優良、可靠性強、價格低廉的高集成度電子學系統也是ECEI的技術特點之一。