摘要可控核聚变是实现人类终极能源梦想的关键路径。在托卡马克装置中等离子体温度高达上亿摄氏度传统接触式测量手段完全失效。激光光谱诊断技术凭借其非接触、高时空分辨、多参数同步测量的独特优势成为聚变装置不可或缺的诊断之眼。本文以汤姆逊散射Thomson Scattering技术为核心系统梳理激光诊断在 EAST、ITER 等装置中的工程实践并探讨国产化诊断系统的技术进展。1. 引言为什么要给人造太阳装上眼睛2025年中国人造太阳——全超导托卡马克核聚变实验装置EAST创造了新的世界纪录在1亿摄氏度的高温下等离子体稳定持续运行了1066秒。这一里程碑被列入2025年度中国科学十大进展标志着人类在可控核聚变研究领域迈出了从基础科学向工程实践的关键一步。然而一个鲜为人知的事实是如果没有精密可靠的诊断系统这一切都不可能发生。想象一下你面前有一个温度高达1亿摄氏度是太阳核心温度的7倍、被数万高斯强磁场约束的等离子体环你需要实时知道它的温度分布、密度分布、杂质含量、流速场等关键参数。传统意义上的温度计或者探针在这种极端条件下完全没有用武之地——任何物质接触到等离子体的瞬间就会被汽化。这就是等离子体诊断学面临的根本难题。激光光谱诊断技术正是解决这一难题的核心手段。它利用激光与等离子体的相互作用产生的各种光学信号实现对等离子体参数的非接触、高时空分辨、多维度测量。在这其中**激光汤姆逊散射Laser Thomson Scattering, LTS**因其测量结果的绝对性和物理基础的纯粹性被公认为等离子体电子温度和密度测量的金标准。本文将从工程实践的视角系统梳理激光光谱诊断——尤其是汤姆逊散射技术在可控核聚变中的应用帮助读者建立对这一关键技术领域的全景认知。2. 可控核聚变等离子体诊断的核心挑战2.1 极端物理条件托卡马克装置中等离子体的运行条件极其苛刻对诊断技术提出了前所未有的要求参数EAST 典型值ITER 设计值诊断挑战芯部电子温度 TeTe​1–10 keV (~1亿°C)20–40 keV需要亚毫米级空间分辨的远程测温电子密度 nene​10191019–10201020 m⁻³10201020 m⁻³弱散射信号需高灵敏度探测器磁场强度 BB2–3.5 T5.3 T强磁场对电子设备和光路的影响真空度10−610−6–10−810−8 Pa10−810−8 Pa光学窗口的真空密封与污染中子通量低~10141014 n/(cm²·s)探测器和光学元件的辐照损伤2.2 诊断需求的多维度性一个完整的聚变装置诊断系统需要同时回答以下问题温度是多少电子温度 TeTe​、离子温度 TiTi​密度是多少电子密度 nene​、燃料密度 nDnD​、nTnT​杂质含量如何有效电荷数 ZeffZeff​、杂质种类与分布等离子体在怎么动流速场、湍流结构、MHD 不稳定性约束性能如何能量约束时间 τEτE​、输运系数没有任何单一诊断技术能够同时覆盖所有这些参数。在实际工程中通常采用多技术联合诊断的策略。3. 激光光谱诊断技术体系全景基于笔者在激光光谱诊断系统研发中的实践经验以下梳理了聚变装置中常用的激光诊断技术体系┌──────────────────────────┐ │ 激光光谱诊断技术体系 │ └──────────┬───────────────┘ ┌──────────────────────┼──────────────────────┐ │ │ │ ┌──────▼──────┐ ┌──────▼──────┐ ┌──────▼──────┐ │ 温度/密度 │ │ 速度/流场 │ │ 成分/杂质 │ │ 诊断技术 │ │ 诊断技术 │ │ 诊断技术 │ └──────┬──────┘ └──────┬──────┘ └──────┬──────┘ │ │ │ ┌──────┴─────────┐ ┌──────┴─────────┐ ┌──────┴─────────┐ │★汤姆逊散射(TS) │ │ 多普勒反射计 │ │ 电荷交换光谱 │ │ - 电子温度Te │ │ - 湍流速度 │ │ (CXRS) │ │ - 电子密度ne │ │ - 旋转速度 │ │ - 离子温度Ti │ │ - Z_eff (相干)│ │ │ │ - 杂质密度 │ ├────────────────┤ ├────────────────┤ ├────────────────┤ │ 电子回旋辐射 │ │ 束发射光谱 │ │ 可见/紫外光谱 │ │ (ECE) │ │ (BES) │ │ (OES) │ │ - 电子温度Te │ │ - 密度涨落 │ │ - 杂质线辐射 │ ├────────────────┤ ├────────────────┤ ├────────────────┤ │ 滤波瑞利散射 │ │ 激光诱导荧光 │ │ 激光诱导击穿 │ │ (FRS) │ │ (LIF) │ │ 光谱 (LIBS) │ └────────────────┘ └────────────────┘ └────────────────┘在以上体系中**激光汤姆逊散射LTS**占据了核心地位。其原因在于汤姆逊散射是直接从第一性原理光子-电子弹性散射截面出发的测量方法理论上不依赖于任何经验标定能够提供绝对的温度和密度值。这是其他任何诊断技术所不具备的独特优势。4. 汤姆逊散射等离子体诊断的金标准4.1 物理原理光子与自由电子的弹性散射汤姆逊散射的本质是低能光子被自由电子弹性散射的物理过程。当一束激光穿过等离子体时激光光子与等离子体中的自由电子发生相互作用。在电磁波交变电场的作用下电子产生受迫振荡成为一个振荡的电偶极子向各个方向辐射电磁波——这就是汤姆逊散射信号。该过程的散射截面由经典汤姆逊散射公式给出σT8π3re26.65×10−29 m2σT​38π​re2​6.65×10−29 m2其中经典电子半径ree24πε0mec22.82×10−15 mre​4πε0​me​c2e2​2.82×10−15 m关键物理图像由于电子在等离子体中处于高速热运动状态根据多普勒效应散射光的频率会发生偏移。电子朝向探测器运动时散射光频率增加蓝移远离探测器运动时散射光频率降低红移。大量电子的统计平均效果使得散射光谱呈现出一个以激光频率为中心的展宽轮廓。这个轮廓的宽度直接反映了电子的速度分布即电子温度 TeTe​而光谱的积分强度则与电子密度 nene​成正比。为什么是金标准汤姆逊散射测量的是电子的麦克斯韦速度分布的直接映射整个过程仅涉及经典电磁散射理论不依赖任何经验标定因子。理论上只要精确测量散射光谱的展宽和绝对强度就可以直接得到 TeTe​ 和 nene​。这一第一性原理特征使汤姆逊散射成为聚变等离子体诊断中最值得信赖的方法。4.2 两种散射体制非相干与相干散射根据入射激光波长与等离子体特征尺度之间的关系汤姆逊散射分为两种工作体制。区分两种体制的关键参数是散射参数 ααα1kλDαkλD​1​其中散射矢量大小 k∣ks−ki∣≈4πλisin⁡(θ/2)k∣ks​−ki​∣≈λi​4π​sin(θ/2)λDλD​ 为德拜长度λDε0kBTenee2≈7.43×103Te(eV)ne(m−3) mλD​ne​e2ε0​kB​Te​​​≈7.43×103ne​(m−3)Te​(eV)​​ m非相干散射Incoherent / Non-collective Scatteringα1α1散射矢量的空间尺度 1/k1/k 小于德拜屏蔽长度 λDλD​每个电子独立散射无集体效应散射光谱呈Gaussian 分布S(k,ω)∝exp⁡(−ω22k2vth2)S(k,ω)∝exp(−2k2vth2​ω2​)光谱半高全宽Δλ1/2∝TeΔλ1/2​∝Te​​光谱积分强度Itotal∝neItotal​∝ne​适用范围低密度、高温等离子体典型的托卡马克边缘等离子体、工业低温等离子体等相干散射Collective Scatteringα1α1散射矢量的空间尺度 1/k1/k 大于德拜屏蔽长度 λDλD​电子集体运动主导出现等离子体波的相干散射散射光谱在电子等离子体频率处出现共振峰可同时测量电子温度 TeTe​ 和离子温度 TiTi​通过离子声波特征峰光谱分析更复杂但信息量更大适用范围高密度等离子体托卡马克芯部、ICF 靶丸内爆等图2. 非相干散射左与相干散射右光谱特征对比4.3 核心公式推导与光谱特征对于聚变装置中最常用的非相干汤姆逊散射散射光谱的功率谱密度为Ps(λ)Pi⋅ne⋅Lobs⋅ΔΩ⋅η⋅σT4π⋅S(λ,Te)Ps​(λ)4πPi​⋅ne​⋅Lobs​⋅ΔΩ⋅η⋅σT​​⋅S(λ,Te​)其中各参数含义PiPi​入射激光功率Wnene​电子密度m⁻³LobsLobs​散射体积沿观测方向的长度mΔΩΔΩ收集光学的立体角srηη光学系统的总传输效率σTσT​汤姆逊散射截面m²S(λ,Te)S(λ,Te​)归一化光谱线型函数光谱线型函数非相干散射S(λ,Te)12πσλexp⁡[−(λ−λi)22σλ2]S(λ,Te​)2π​σλ​1​exp[−2σλ2​(λ−λi​)2​]其中光谱展宽 σλσλ​ 与电子温度的关系σλλic2kBTeme⋅sin⁡(θ/2)σλ​cλi​​me​2kB​Te​​​⋅sin(θ/2)从上述关系可以直接看出光谱展宽 ∝Te∝Te​​。对于 1 keV 的电子温度和 532 nm 的入射激光90° 散射角下的典型光谱展宽约为15-20 nm。信号强度估算这是汤姆逊散射系统设计中最重要的步骤。假设以下典型参数Pi2Pi​2 J / 10 ns 200 MW脉冲 Nd:YAG 激光器典型参数ne5×1019ne​5×1019 m⁻³EAST 芯部典型密度Lobs5Lobs​5 mm典型散射体积长度ΔΩ0.01ΔΩ0.01 srf/5 收集光学系统η0.3η0.3包含光学窗口、光纤、光谱仪的总效率则单脉冲散射光子数约为Nphotons≈Pi⋅Δt⋅ne⋅Lobs⋅ΔΩ⋅η⋅σThν≈103−105 photons/pulseNphotons​≈hνPi​⋅Δt⋅ne​⋅Lobs​⋅ΔΩ⋅η⋅σT​​≈103−105 photons/pulse这个数量级揭示了汤姆逊散射的核心工程挑战信号极其微弱。在 1 亿度的等离子体背景下即使使用 2J 的大能量激光脉冲每个散射体积元中能收集到的汤姆逊散射光子也仅有数千到数万个。这就要求系统具备极高的杂散光抑制能力和信号探测灵敏度。4.4 典型系统架构与关键器件选型一套完整的汤姆逊散射诊断系统通常包括以下子系统(1) 激光光源激光器的选择是系统设计的起点直接影响信噪比和时间分辨率等核心指标。参数典型指标设计依据波长1064 nm基频或 532 nm倍频532 nm 散射截面是 1064 nm 的 16 倍但窗口透过率和探测器量子效率更高1064 nm 杂散光抑制更容易脉冲能量1–3 J/pulse散射信号强度正比于脉冲能量是压倒性的 SNR 决定因素重复频率10–100 Hz常规/ 1–4 kHz高频决定了时间分辨能力。EAST 最新系统已实现 4 kHz 运行脉冲宽度5–15 ns决定了瞬态时间分辨率也需匹配探测器门控光束质量M22M22确保散射体积内能量集中提高有效散射信号技术前沿中科院等离子体物理研究所已在 EAST 装置上成功研制4 kHz/3.5 J 全灯泵浦 Nd:YAG 激光器是目前国际上由单台激光器实现的最高频率汤姆逊散射激光源。(2) 杂散光抑制杂散光抑制是汤姆逊散射系统中最核心的工程挑战。由于汤姆逊散射信号极其微弱散射截面仅 6.65×10−296.65×10−29 m²而入射激光在真空室壁、光学窗口、孔径光阑等位置产生的杂散光包括瑞利散射、米氏散射、反射光等强度通常比汤姆逊散射信号高 10⁶–10¹⁰ 倍。因此系统的杂散光抑制能力直接决定了能否提取出有效的散射信号。核心抑制策略包括图4. 汤姆逊散射系统杂散光抑制策略矩阵在实际工程中**三光栅光谱仪Triple-Grating Spectrograph**是实现高杂散光抑制比的关键器件。它采用三次衍射的级联结构实现波长维度的极高纯度滤波典型杂散光抑制比可达 10−810−8 至 10−1010−10。(3) 探测器系统汤姆逊散射信号具有脉冲式、弱强度、宽光谱的特征对探测器提出以下要求探测器类型优势局限适用场景ICCD增强型CCD纳秒级门控、高增益10³–10⁴、二维成像动态范围有限、价格高多点空间分辨测量EMCCD电子倍增CCD单光子灵敏度、高量子效率90%门控能力弱低信号强度场景APD阵列高带宽、可高速采样像元数少、增益均匀性高频时间分辨测量PMT光电倍增管极高增益10⁶–10⁷、快速响应无空间分辨、量子效率偏低单点高频测量(4) 光谱定标系统汤姆逊散射的绝对测量能力依赖于精确的光谱定标。标准定标流程包括波长定标使用标准原子灯Hg、Ne、Ar等或可调谐激光进行波长标定强度定标使用标准光源积分球 校准灯进行绝对灵敏度定标瑞利散射定标向真空室充入已知密度的中性气体如N₂、Ar利用瑞利散射信号的已知截面进行相对定标4.5 从 EAST 到 ITER汤姆逊散射的工程实践EAST 装置汤姆逊散射系统EASTExperimental Advanced Superconducting Tokamak是中国自主设计建造的世界首个全超导托卡马克装置。其上部署的汤姆逊散射诊断系统代表了当前国际最高水平之一。系统核心参数参数指标激光器Nd:YAG基频 1064 nm脉冲能量 3–4 J重复频率1–100 Hz传统模式/ 最高 4 kHz高频模式空间测量点45 点芯部 边缘空间分辨率3–10 mm径向时间分辨率250 μs高频模式温度测量精度 10%密度测量精度 15%光谱仪多通道滤波光谱仪Polychromator探测器APD 阵列 ICCDEAST 汤姆逊散射系统在装置实现1 亿摄氏度、1066 秒长脉冲运行的里程碑实验中发挥了关键作用——实时提供了芯部和边界等离子体电子温度与密度的二维分布数据为等离子体控制系统的反馈调节提供了核心诊断输入。ITER 核心等离子体汤姆逊散射系统CPTSITERInternational Thermonuclear Experimental Reactor是目前全球规模最大的聚变实验装置其核心等离子体汤姆逊散射系统Core Plasma Thomson Scattering, CPTS的设计代表了聚变诊断工程挑战的极致。ITER-CPTS 主要设计指标参数ITER-CPTS 设计值与 EAST 对比测量区域芯部r/a 0.85全径向电子温度范围0.5–40 keV0.1–10 keV电子密度范围3×10193×1019 – 3×10203×1020 m⁻³10181018–10201020 m⁻³空间分辨率67 mm芯部3–10 mm时间分辨率10 ms常规/ 100 Hz 激光250 μs–10 ms激光能量5 J 1064 nm3–4 J中子屏蔽全系统置于生物屏蔽层内无高要求远程维护全远程机械手操作人工操作ITER CPTS 面临的最独特挑战是强中子辐射环境。在DT聚变反应阶段装置周围的中子通量可达 10141014 n/(cm²·s)这对光学窗口材料需要抗辐照变色、探测器需要屏蔽、光纤需要抗辐照暗化都提出了极高的要求。这一挑战也是当前国内聚变诊断领域的研究热点之一。5. 辅助激光诊断技术简览虽然汤姆逊散射是本文的重点但在实际聚变装置中还需要以下激光诊断技术提供互补信息5.1 激光诱导荧光LIF / PLIF通过可调谐激光选择性激发特定原子或离子如 Ar I、He I、Dα测量荧光信号获取中性粒子密度分布离子流速通过多普勒频移边界等离子体输运参数5.2 相干反斯托克斯拉曼散射CARS利用三波混频非线性效应测量分子振动/转动温度。在聚变装置中主要用于边界中性气体温度测量偏滤器区域分子过程诊断5.3 滤波瑞利散射FRS通过高抑制比原子/分子滤波器如碘分子滤波器提取瑞利散射信号同时测量中性气体温度气体流速密度涨落5.4 光学发射光谱OES收集等离子体自发辐射光谱无源诊断手段杂质种类与含量识别ZeffZeff​ 估算边界再循环监测这些技术与汤姆逊散射形成互补汤姆逊散射负责定量基准给出绝对 TeTe​、nene​其他技术提供空间覆盖、时间分辨或辅助物理量。6. 从实验室到工程国产化汤姆逊散射系统的技术突破6.1 国产化诊断的紧迫需求随着我国聚变研究的加速推进——EAST 装置持续创造纪录、下一代紧凑型聚变能实验装置BEST进入总装阶段、中国聚变工程实验堆CFETR进入工程设计——对自主可控的诊断系统的需求日益迫切。传统上汤姆逊散射系统的核心器件——高能脉冲激光器、三光栅光谱仪、高灵敏度 ICCD 相机——长期依赖进口。这不仅带来了成本、交期和服务响应的不确定性更重要的是在部分涉及敏感技术的领域存在出口管制风险。近年来国内多家研究机构和企业在汤姆逊散射系统的国产化替代方面取得了显著进展高能激光器中科院等离子体物理研究所已实现 4 kHz/3.5 J Nd:YAG 激光器的自主研制光谱仪系统多通道窄带干涉滤波光谱仪Polychromator已实现国产替代高速采集GSa/s 级高速数字化仪已有多家国产供应商6.2 PlasmaEyes-LTS 系统简介在这一国产化浪潮中煜茗科技基于多年激光光谱系统集成经验推出了面向聚变等离子体诊断的PlasmaEyes-LTS 汤姆逊散射诊断系统。PlasmaEyes-LTS 系统的设计理念是模块化、可定制、全链路——从激光注入到数据分析提供完整的系统级解决方案系统配置典型 YM-TS-100H-PRO 配置子系统核心配置性能指标激光光源灯泵浦 Nd:YAG1064/532 nm 可选脉冲能量 2–3 J脉宽 8–12 ns频率 10/30/100 Hz传输光路多级孔径光阑 真空馈穿组件杂散光抑制 10⁶光路级收集光学大口径非球面透镜 光纤束阵列多空间通道可定制 10–60 点f/3–f/6光谱仪多通道滤波光谱仪Polychromator或三光栅成像光谱仪杂散光抑制 10⁻⁸光谱通道 5–15 个探测器ICCD / EMCCD / APD 阵列按需配置门控 5 ns量子效率 40%532 nm定标系统积分球 标准光源 瑞利散射标定模块绝对灵敏度定标准确度 5%控制软件PlasmaEyes-DAQ 数据采集与分析平台实时谱拟合、TeTe​/nene​ 在线输出、数据库管理PlasmaEyes-LTS 的核心技术特点全链路杂散光抑制从激光注入光阑设计、真空窗口 Brewster 角配置到光谱仪三次衍射滤波系统总杂散光抑制比 10−1010−10确保微弱散射信号的有效提取多空间通道同步测量单次激光脉冲可同步获取 10–60 个空间点的散射光谱径向覆盖等离子体芯部到边界自动化标定与诊断内置波长/强度自动标定流程降低人工操作复杂度国产化率可配置根据用户需求可选择全进口核心器件方案或高国产化率方案灵活平衡性能与成本注以上配置基于标准产品方案实际交付参数以商务合同和技术规格书为准。7. 展望聚变诊断技术的未来趋势站在 2026 年的时间节点上回望聚变等离子体诊断技术正在经历以下几个关键趋势转变7.1 高频化与实时化EAST 上 4 kHz 汤姆逊散射系统的成功运行证明从传统几十 Hz 到数千 Hz 的频率跨越在技术上是可行的。随着聚变装置运行时间从秒级向千秒级、稳态级延伸诊断系统需要提供相匹配的时间分辨率。未来的 CFETR 和聚变示范堆DEMO对诊断系统的实时性要求将达到毫秒甚至亚毫秒级为等离子体实时反馈控制提供数据支撑。7.2 抗辐照与远程维护ITER 和未来聚变堆的 DT 燃烧阶段将产生强中子辐射。诊断系统尤其是第一镜、光学窗口、光纤和探测器的抗辐照设计将成为核心技术挑战。此外在强辐射环境下所有维护操作必须由远程机械手完成这对诊断系统的模块化设计和标准化接口提出了全新要求。7.3 人工智能与智能诊断深度学习技术在汤姆逊散射光谱分析中的应用已展现出巨大潜力。2025 年 arXiv 上发表的迁移学习方法arXiv:2512.18173实现了对非相干和相干散射光谱的自动分类与参数提取。未来的智能诊断系统可能实现实时光谱自动识别与拟合异常信号的自动检测与标记基于物理约束神经网络的参数反演多诊断系统数据的融合分析7.4 激光技术的持续突破超快激光飞秒/皮秒在高重频汤姆逊散射中的应用正在探索中。飞秒激光的超高峰值功率可以在保持平均功率不变的前提下大幅提高单脉冲散射信号。同时新型光纤激光器技术的发展也为实现更高频率、更紧凑、更可靠的激光源提供了可能。8. 结语激光光谱诊断技术是可控核聚变研究中不可或缺的眼睛。从 EAST 到 ITER从实验室原理验证到工程化系统部署以汤姆逊散射为代表的激光诊断技术已经发展成为一个跨学科的系统工程领域——涉及激光物理、等离子体物理、精密光学、高速电子学和数据处理等多个学科方向。作为国内激光光谱诊断领域的一员笔者所在的煜茗科技团队正在努力推动诊断系统的国产化进程。PlasmaEyes-LTS 系统的目标是提供一套可靠、可定制、可维护的汤姆逊散射诊断解决方案服务国内聚变研究机构和相关应用领域的技术需求。聚变能源的时代或许还需要几十年的时间才能到来但通往人造太阳道路上的每一步都需要精密、可靠的眼睛来指引方向。9. 参考文献[1] Sheffield J, Froula D, Glenzer S H, et al.Plasma Scattering of Electromagnetic Radiation(2nd Ed.). Academic Press, 2011.[2] Hutchinson I H.Principles of Plasma Diagnostics(2nd Ed.). Cambridge University Press, 2002.[3] Donné A J H, et al. Thomson scattering diagnostic for fusion plasmas (invited).Review of Scientific Instruments, 2020, 91(7): 073508.[4] Bilkova P, et al. Thomson Scattering Diagnostics.ITER Summer School Lecture Notes, 2025.[5] 中国科学院等离子体物理研究所. EAST 汤姆逊散射诊断系统进展. 内部技术报告, 2018-2025.[6] ITER Organization. Core Plasma Thomson Scattering Diagnostic Design.Fusion Engineering and Design, 2024.[7] 核工业西南物理研究院. HL-2A/HL-3 汤姆逊散射诊断系统设计与实验结果.强激光与粒子束, 2018-2024.[8] 国家自然科学基金委员会. 2025 年度中国科学十大进展——可控核聚变大科学装置实现亿度运行. 2026.[9] Transfer Learning for Collective and Non-Collective Thomson Scattering Analysis. arXiv:2512.18173, 2025.声明本文为技术分享性质的文章文中涉及的 PlasmaEyes-LTS 系统参数基于煜茗科技公开产品方案具体技术指标以正式商务文件为准。文中引用的 EAST、ITER 装置数据来源于公开文献和官方报告。文中观点仅代表作者个人技术理解不代表任何机构立场。