Silentassassin7
2021-05-24T07:41:51+00:00
大家可能有不少人得知这个消息了：
[img]https://img.nga.178.com/attachments/mon_202105/29/-7Q2o-a1wfZdT1kSet-mr.jpg.thumb.jpg[/img]
看了看昨天的楼，似乎很多人不太理解，这个1.2亿度的温度是怎么测出来的？作为中科院等离子体所的 敌对 兄弟单位，我觉得我可以给大家简单科普一下这个事 顺便也是我的调研大概
首先，这个温度是用什么手段测量出来的？
知乎上有个自称在现场的兄弟说了这么一段话
[img]https://img.nga.178.com/attachments/mon_202105/29/-7Q2o-jaf4K15T3cSni-4m.jpg[/img]
那么，这个1.2亿度就是这个TS系统——汤姆森散射测量系统敲定的最终数据了。虽然TS不是我的专业，但我也是曾和TS捅一个洞的关系(指合用一个光路)，可以简单介绍一下
在托卡马克装置中，我们需要研究的对象是一团炽热的等离子体，通常实验阶段都是氕等离子体——纯粹的质子和电子的混合体(我指我们这边，EAST不清楚)。这些等离子体在装置放电期间，都是在真空室中高速环绕运动的。那么这个等离子体的温度指的是什么呢？
这个等离子体的温度，简单来说就是“无规则运动的动能”，重点在于这个“无规则”。譬如说，有一大堆粒子，它们运动方向和速度严格相同[s:ac:上][s:ac:上][s:ac:上][s:ac:上][s:ac:上][s:ac:上][s:ac:上][s:ac:上]，整齐划一同步前进，就好像阅兵场上的士兵，这种时候，运动非常规则，没有无规则的部分，我们就说这些粒子的温度是0 K——绝对零度。注意这时候粒子可能是有动能的。然后另一堆粒子，速度五花八门，有的朝左有的朝右，乱成一锅粥[s:ac:上][s:ac:赞同][s:ac:反对][s:a2:壁咚][s:ac:反对][s:a2:壁咚][s:ac:上][s:ac:赞同][s:ac:反对]，这种情况下，运动非常不规则，大部分动能都属于无规则运动，我们就说这些粒子的温度很高。
那么怎么定量地给出一个温度的数值呢？先考虑一维的情况，也就算粒子要么朝左运动，要么朝右运动。然后我们就画一条曲线，横坐标是粒子的速度，纵坐标是处于这个速度的粒子的数量占比，画出来的曲线大概就是这样(网图，随便找的)
[img]https://img.nga.178.com/attachments/mon_202105/29/-7Q2o-4undZcT3cSyu-mr.jpg.medium.jpg[/img]
在热平衡的情况下，粒子速度的分布曲线都差不多是这个形状，只是高矮胖瘦不一样，显然高矮是没有意义的，于是我们规定这个胖瘦的程度——就是粒子温度的度量。
大概了解了粒子群的温度是什么，那么我们再来看看TS是啥。
对于一束等离子体，我们用一束很细的激光照射上去——通常等离子体对于我们使用的激光是透明的(不透明那你探测个寂寞)，所以激光会很平常地穿过去，大部分的光子都会穿过等离子体，但是有那么很少很少一少部分的光子，会和等离子体发生相互作用，中间详细过程不用在意，从结果来说，就相当于光子和粒子发生了完全弹性碰撞——然后被弹开，飞向各种意义不明的方向，这就是所谓汤姆森散射。
既然是完全弹性碰撞，那我们就可以做很多定量计算。基本的，我们把一个探测器放在一个固定位置，这样这个探测器接收到的光子，其散射的角度就是固定的(不是这个角度的飞不进来)。这种条件下，经过数学计算(完全弹性碰撞是高中知识)，我们能发现，因为粒子入射动能和动量是确定的(单色激光，理论上每个光子动能动量——由频率唯一决定——都是一样的，虽然实际上没那么精确)，在散射角度确定的情况下，光子在碰撞之后的动能和动量——也即是频率——也是唯一确定的。那么我们用这个探测器去探测散射光子的频率，就会发现它们是完全一样的——当然和入射光子还是有点区别。如果画一个曲线，横坐标是接收到的散射光子频率，纵坐标是这个频率的光子数量占比，那曲线就是一个尖峰——因为所有光子都是这个频率。
然而实际上我们测量得到的光谱图并不是一个尖峰，而是一个稍微有点胖的峰。
[img]https://img.nga.178.com/attachments/mon_202105/29/-7Q2o-8ye4KrT1kScx-9i.jpg[/img]
图来自Review of Scientific Instruments 87, 11E403
这是美国一台激光聚变装置上TS系统测量得到的一次光谱图，很明显还是有明显宽度的，宽度都有几个纳米了，好的激光器线宽是能小于一个纳米的，甚至小于0.好几个0几纳米。那么这个峰是为什么展宽了呢？
原因很简单，是因为碰撞时的多普勒效应。光子和粒子碰撞时，如果粒子朝着光源飞来，碰撞后光子的能量就会比和静止粒子碰撞更高——波长更短。而如果粒子逆着光源飞去，碰撞后光子的能量就会更低——波长更长。而由于等离子体具有温度——粒子会朝着不同方向乱飞，所以有的粒子朝着光源有的粒子逆着光源，于是有的光子波长略微变高有的略微变低，整体就由一个很窄的峰逐渐变宽啦，而且——等离子体温度越高，多普勒效应就越明显，探测器接收到的光谱图也就越宽。
事实上还不止如此，等离子体的许多特征和行为，都会对散射光子的光谱图产生影响，在这上面添加各种不同的特征。
[img]https://img.nga.178.com/attachments/mon_202105/29/-7Q2o-hfj3K2sT3cSrt-dt.jpg[/img]
图来自强激光与粒子束 32(9), 092004
这个是，大概是神光3装置上(随便说一句，虽然这几个国产装置好像没啥存在感，但其实还是很厉害的……)的一个示意图，左图是TS的散射光谱图，右图是局部放大。图中可以看到，曲线的很多细节都对应等离子体的参数，包括ne——电子密度，Te——电子温度，Ti——离子温度，ve——电子总体速度，vi——离子总体速度，Z——原子序数等参数。显然，我们只要能精确地测量出光谱曲线，就能得知这么多数据了。
这真的可以做到吗？
很遗憾，很多时候，至少我觉得EAST上是，没法获取这么详细的光谱图的。[s:ac:哭笑]
一般托卡马克装置上，TS的散射光非常微弱，甚至接收到的光子总计还不到1000个都是有可能的，根本没法安排光栅分光后做详细的光谱测量，神光3能做到是因为它是一个惯性约束聚变装置——在那一刻燃尽一生的那种，瞬间光非常强。一般托卡马克上的TS光谱测量，用的是一种非常土的方法：
[img]https://img.nga.178.com/attachments/mon_202105/29/-7Q2o-gnbKnT3cSsg-c3.jpg[/img]
图来自大门赠与我的mspaint
光路简单来说就是这样的。散射光在几个滤光片之间来回反射，每个滤光片选出一个频率的光，后面的探测器接收之后，就可以得到这若干个频率的光强，然后我们假定一个光谱曲线的形状(……)，再用测得的这几个点拟合一下数据(……)就能估计出这个谱大致的宽度，从而测量出等离子体的温度。
没办法，凑合用吧。[s:ac:哭笑]
最后，TS毕竟不是我的专业(我是激光测量密度的，某种意义上是TS的隔壁)，加上某些跟玻尔兹曼有关的课程学的东西都还给老师了，如果有错请指正[s:ac:怕]
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看了看昨天的楼，似乎很多人不太理解，这个1.2亿度的温度是怎么测出来的？作为中科院等离子体所的
首先，这个温度是用什么手段测量出来的？
知乎上有个自称在现场的兄弟说了这么一段话
[img]https://img.nga.178.com/attachments/mon_202105/29/-7Q2o-jaf4K15T3cSni-4m.jpg[/img]
那么，这个1.2亿度就是这个TS系统——汤姆森散射测量系统敲定的最终数据了。虽然TS不是我的专业，但我也是曾和TS捅一个洞的关系(指合用一个光路)，可以简单介绍一下
在托卡马克装置中，我们需要研究的对象是一团炽热的等离子体，通常实验阶段都是氕等离子体——纯粹的质子和电子的混合体(我指我们这边，EAST不清楚)。这些等离子体在装置放电期间，都是在真空室中高速环绕运动的。那么这个等离子体的温度指的是什么呢？
这个等离子体的温度，简单来说就是“无规则运动的动能”，重点在于这个“无规则”。譬如说，有一大堆粒子，它们运动方向和速度严格相同[s:ac:上][s:ac:上][s:ac:上][s:ac:上][s:ac:上][s:ac:上][s:ac:上][s:ac:上]，整齐划一同步前进，就好像阅兵场上的士兵，这种时候，运动非常规则，没有无规则的部分，我们就说这些粒子的温度是0 K——绝对零度。注意这时候粒子可能是有动能的。然后另一堆粒子，速度五花八门，有的朝左有的朝右，乱成一锅粥[s:ac:上][s:ac:赞同][s:ac:反对][s:a2:壁咚][s:ac:反对][s:a2:壁咚][s:ac:上][s:ac:赞同][s:ac:反对]，这种情况下，运动非常不规则，大部分动能都属于无规则运动，我们就说这些粒子的温度很高。
那么怎么定量地给出一个温度的数值呢？先考虑一维的情况，也就算粒子要么朝左运动，要么朝右运动。然后我们就画一条曲线，横坐标是粒子的速度，纵坐标是处于这个速度的粒子的数量占比，画出来的曲线大概就是这样(网图，随便找的)
[img]https://img.nga.178.com/attachments/mon_202105/29/-7Q2o-4undZcT3cSyu-mr.jpg.medium.jpg[/img]
在热平衡的情况下，粒子速度的分布曲线都差不多是这个形状，只是高矮胖瘦不一样，显然高矮是没有意义的，于是我们规定这个胖瘦的程度——就是粒子温度的度量。
大概了解了粒子群的温度是什么，那么我们再来看看TS是啥。
对于一束等离子体，我们用一束很细的激光照射上去——通常等离子体对于我们使用的激光是透明的(不透明那你探测个寂寞)，所以激光会很平常地穿过去，大部分的光子都会穿过等离子体，但是有那么很少很少一少部分的光子，会和等离子体发生相互作用，中间详细过程不用在意，从结果来说，就相当于光子和粒子发生了完全弹性碰撞——然后被弹开，飞向各种意义不明的方向，这就是所谓汤姆森散射。
既然是完全弹性碰撞，那我们就可以做很多定量计算。基本的，我们把一个探测器放在一个固定位置，这样这个探测器接收到的光子，其散射的角度就是固定的(不是这个角度的飞不进来)。这种条件下，经过数学计算(完全弹性碰撞是高中知识)，我们能发现，因为粒子入射动能和动量是确定的(单色激光，理论上每个光子动能动量——由频率唯一决定——都是一样的，虽然实际上没那么精确)，在散射角度确定的情况下，光子在碰撞之后的动能和动量——也即是频率——也是唯一确定的。那么我们用这个探测器去探测散射光子的频率，就会发现它们是完全一样的——当然和入射光子还是有点区别。如果画一个曲线，横坐标是接收到的散射光子频率，纵坐标是这个频率的光子数量占比，那曲线就是一个尖峰——因为所有光子都是这个频率。
然而实际上我们测量得到的光谱图并不是一个尖峰，而是一个稍微有点胖的峰。
[img]https://img.nga.178.com/attachments/mon_202105/29/-7Q2o-8ye4KrT1kScx-9i.jpg[/img]
图来自Review of Scientific Instruments 87, 11E403
这是美国一台激光聚变装置上TS系统测量得到的一次光谱图，很明显还是有明显宽度的，宽度都有几个纳米了，好的激光器线宽是能小于一个纳米的，甚至小于0.好几个0几纳米。那么这个峰是为什么展宽了呢？
原因很简单，是因为碰撞时的多普勒效应。光子和粒子碰撞时，如果粒子朝着光源飞来，碰撞后光子的能量就会比和静止粒子碰撞更高——波长更短。而如果粒子逆着光源飞去，碰撞后光子的能量就会更低——波长更长。而由于等离子体具有温度——粒子会朝着不同方向乱飞，所以有的粒子朝着光源有的粒子逆着光源，于是有的光子波长略微变高有的略微变低，整体就由一个很窄的峰逐渐变宽啦，而且——等离子体温度越高，多普勒效应就越明显，探测器接收到的光谱图也就越宽。
事实上还不止如此，等离子体的许多特征和行为，都会对散射光子的光谱图产生影响，在这上面添加各种不同的特征。
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图来自强激光与粒子束 32(9), 092004
这个是，大概是神光3装置上(随便说一句，虽然这几个国产装置好像没啥存在感，但其实还是很厉害的……)的一个示意图，左图是TS的散射光谱图，右图是局部放大。图中可以看到，曲线的很多细节都对应等离子体的参数，包括ne——电子密度，Te——电子温度，Ti——离子温度，ve——电子总体速度，vi——离子总体速度，Z——原子序数等参数。显然，我们只要能精确地测量出光谱曲线，就能得知这么多数据了。
这真的可以做到吗？
很遗憾，很多时候，至少我觉得EAST上是，没法获取这么详细的光谱图的。[s:ac:哭笑]
一般托卡马克装置上，TS的散射光非常微弱，甚至接收到的光子总计还不到1000个都是有可能的，根本没法安排光栅分光后做详细的光谱测量，神光3能做到是因为它是一个惯性约束聚变装置——在那一刻燃尽一生的那种，瞬间光非常强。一般托卡马克上的TS光谱测量，用的是一种非常土的方法：
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图来自大门赠与我的mspaint
光路简单来说就是这样的。散射光在几个滤光片之间来回反射，每个滤光片选出一个频率的光，后面的探测器接收之后，就可以得到这若干个频率的光强，然后我们假定一个光谱曲线的形状(……)，再用测得的这几个点拟合一下数据(……)就能估计出这个谱大致的宽度，从而测量出等离子体的温度。
没办法，凑合用吧。[s:ac:哭笑]
最后，TS毕竟不是我的专业(我是激光测量密度的，某种意义上是TS的隔壁)，加上某些跟玻尔兹曼有关的课程学的东西都还给老师了，如果有错请指正[s:ac:怕]