毫米波成像诊断在托卡马克中应用简述

毫米波，指波长为1mm－10mm范围内的高频电磁波，位于微波与远红外交叠的部分，具有带宽较宽，波束分辨率高，受气候影响小和器件体积小等优点。近年来毫米波源技术及相关探测技术已经得到了广泛的应用。高温等离子体是聚变能工程中的重要组成部分，现在国际上的主要研究方向包括磁约束方式，惯性约束方式两种。两种研究方向中，又各自分为多种技术路线。例如磁约束中的托卡马克、反场箍缩、仿星器、磁镜等，惯性约束中的激光打靶、重离子束打靶等。这里我们主要介绍毫米波成像诊断在磁约束托卡马克装置中的应用。

微波／毫米波诊断以其非介入性、高时空分辨能力和高稳定性成为托卡马克内部等离子体参数诊断的主要方法之一。经过数十年的发展和积累，已经形成了多种成熟可靠的诊断方法，例如用于诊断等离子体边界密度径向分布的微波反射计、诊断等离子体温度径向分布的电子回旋辐射计，诊断等离子体弦平均密度的毫米波干涉仪，诊断等离子体内部电流分布的毫米波极化仪等。我国中科院等离子体的现役的EAST装置，西南核物理研究院的HL－2A装置，华中科技大学的J－TEXT装置上都普遍使用了微波／毫米波诊断方法。

虽然上述诊断技术在长期的服役期间证明了其性能的优良和可靠，但随着等离子体参数的提高和对等离子体物理研究的深入，由于诊断技术本身的限制，空间分辨率低，观测范围有限等都成为了物理现象观测和诊断的限制。由高能粒子驱动的空间高波束磁流体不稳定性、微湍流结构造成的输运等问题，就需要空间分辨率更高，观测范围更广的诊断方法。

电子回旋辐射成像（Electron Cyclotron Emission Imaging，简称ECEI）和微波成像反射计(Microwave Imaging Reflectometer，简称MIR)两项毫米波成像诊断技术利用精巧的设计与先进的微波技术，突破了传统诊断的技术瓶颈，实现了空间分辨率高、观测范围大、调节灵活的要求。这两项先进的诊断技术已经成为新型诊断技术的典型例子，自2002年首次在德国TEXTOR托卡马克上应用，并获得成功，就此揭开了诊断技术走向可视化和智能化的帷幕。

作为电子回旋辐射计（Electron Cyclotron Emission Radiometer，简称ECER）的技术延伸，电子回旋辐射成像ECEI沿用了ECER的二次混频，分频检波的技术路线。但与传统的ECER不同的是，ECEI使用极向探测阵列代替ECER的单一探测单元，并配置前端毫米波成像光学系统来实现提高极向分辨率（5cm分辨率提升至8mm分辨率），拓展观测范围（观测范围从极向10cm拓展到80cm）。ECEI拓展了极向观测的维度，实现了电子温度分布的二维实时成像（极向和极向）。弥补了传统ECER单一径向维度观测的限制。从表面上看，ECEI只是将原有的ECER进行了极向排布，并没有显著的进步；而实际情况并非如此简单，在提高极向分辨率的同时，必然会面对以下三个问题。第一，极向分辨率的提高，必然会伴随采样体积的减小，从而导致接收到的辐射信号强度减小，对探测器技术提出了更为苛刻的要求，同时也对空间噪声屏蔽性能提出更高的要求。第二，由于毫米波的空间传输准直范围（及Rayleigh Length）与空间分辨率有关，从而导致高空间分辨率的ECEI比低分辨率的ECER的径向观测范围小，如何拓展ECEI的径向观测范围已保证其径向全局的观测，也是ECEI需要解决的问题。第三，由于极向采用探测阵列，配置相对应的电子学系统，会导致成像诊断的成本过高，体积过大。直观想象一下，同样是接收器的收音机（Radio）与单反相机（Imaging Camera），其售价之间存在显著的差别。设计制造性能优良、可靠性强、价格低廉的高集成度电子学系统也是ECEI的技术特点之一。