基于NEO25M高速摄像机的紧凑环注入等离子体瞬态结构演化与核聚变供料过程可视化诊断研究

（原标题：基于NEO25M高速摄像机的紧凑环注入等离子体瞬态结构演化与核聚变供料过程可视化诊断研究）

针对核聚变紧凑环注入过程中等离子体瞬态演化时间尺度进入微秒级、传统诊断手段难以解析其结构细节的问题，合肥核聚变中心紧凑环技术应用实验室引入千眼狼（Revealer）NEO25M高速摄像机，对注入全过程开展可见光高速成像观测。

1. 实验背景

紧凑环注入（Compact Toroid Injection,CTI）作为核聚变装置中面向高效供料与动量注入的重要实验路径，其核心目标在于实现等离子体在磁约束环境中的快速、稳定、可控注入过程。在该过程中，等离子体需跨越发射、飞行、背景等离子体耦合及最终能量耗散阶段，时间尺度压缩至微秒量级，普通高速摄像机与间接诊断方法难以捕捉分辨关键结构演化细节。

为此，合肥核聚变中心科研团队引入千眼狼（Revealer）NEO25M高速摄像机，捕捉紧凑环注入等离子体在磁约束背景场中的动力学演化过程，为后续注入参数优化及供料机制建模提供可视化实验依据。

2. 实验设备

实验观测对象为基于紧凑环产生机制的等离子体注入系统，定位为面向未来聚变反应堆的供料优化与注入过程验证平台。

实验核心观测设备采用千眼狼（Revealer）NEO25M型高速摄像机，具备微秒级时间分辨能力。

镜头选用CANON 24-70 mm变焦镜头，通过远距离侧窗观测方式记录等离子体发光图像。光源依赖等离子体自发辐射作为信号源，未使用外加照明。

3. 实验方法

实验采用侧向透窗观测方案，高速摄像机光轴与等离子体注入方向垂直，以增强横向结构分辨能力。ROI模式用于提升时间分辨率，从而捕捉微秒尺度结构演化。

成像与获取策略，引入反相显示方法，将原始白色高亮放电区域转换为黑色表征，在不改变原始数据分布前提下增强边界对比度，提高等离子体主放电通道边界轮廓与内部密度梯度细节在低背景干扰条件下的辨识度。

拍摄参数在有效ROI下可达277,777 fps，对应时间分辨率约为3.6 μs，共采集约0.7 ms序列图像。

4. 实验数据与序列图像分析

本次实验共采集214帧连续高速序列图像，完整覆盖紧凑环注入从初始发射至最终耗散的全过程。根据结构形态演化特征，可将该过程划分为出枪、飞行、穿透与消散融合四个阶段，其演化路径呈现典型的非线性瞬态特征。

4.1出枪阶段（0~54 μs）

在出枪初始阶段，等离子体从发射端快速喷出并进入观测视场。第10帧（32 μs）为该阶段代表性瞬态结构，此时等离子体呈显著拉长的椭球形态，长轴沿注入轴向，表现出典型的各向异性结构特征。该形态成因源于枪口区域强箍缩效应（Z箍缩）对等离子体电流通道的径向压缩，同时枪口边缘背景磁场的轴向分量对等离子体施加了加速抽引力，致使闭合磁面内的等离子体在出射瞬间发生轴向拉伸。等离子团簇整体轮廓清晰、边界陡峭，表明初始放电参数匹配良好，磁压与热压处于瞬态平衡。

4.2飞行阶段（54~216 μs）

进入飞行阶段后，等离子体脱离发射端影响区，在背景磁场与自洽磁场结构作用下发生显著形态重构。

第26帧（90 μs），等离子团脱离枪口影响区，核芯长度进一步扩展约50%，同时前端出现明显分层结构，外层形成低亮度弥散刮离层，芯部则保持相对高密度连续紧凑结构。该分层源于飞行过程中等离子体团头部与背景稀薄等离子体相互作用所产生的速度剪切层诱导而致，芯部因携带环向磁通而维持抗磁完整性。

至第38帧（133 μs），头部发生体积膨胀并出现泡状离散小团簇剥离行为，表明局部磁压平衡被破坏并诱发多尺度不稳定模态。

延续至第50帧（176 μs），团簇侧面观测到放射状丝状喷流结构，沿径向向外伸展，这主要源自等离子团内部磁螺旋度与背景磁场剪切层耦合作用所致。

该阶段整体表现为“主束拉伸-边界分层-局部剥离-结构再组织”的连续演化过程。

4.3穿透阶段（216~392 μs）

穿透阶段对应等离子体与主等离子体背景发生强耦合交互过程，结构表现出明显的拓扑重构特征。

第61帧（216 μs）起，主结构虽保持整体连续，但边界已出现系统性撕裂，小尺度泡状等离子体沿磁力线方向逃逸，表明输运机制由惯性主导逐步转向磁约束主导的耗散输运。

第74帧（262 μs）观测到前端结构由块状转为薄带状弧形结构，说明等离子体在轴向推进过程中受到横向磁张力增强限制。

第86帧（306 μs），中部区域出现明显颈缩现象，对应局部结构收缩与能量集中区域形成，表明系统进入非均匀应力主导状态。

第99帧（352 μs），颈缩区发生主结构断裂，形成两个相对独立的离子团簇，标志穿透阶段完成由连续结构向破碎态转变。

4.4消散融合阶段（392~760 μs）

消散融合阶段，离散等离子体结构逐步向低密度连续云态转变。

第110帧（392 μs）后，多团簇结构开始发生同步消融，逐步演化为云片状低密度等离子体层结构。随后系统呈现各向异性扩散特征，等离子体沿极向与环向同时发生弥散输运。

至第129帧（460 μs）以后，离散结构基本消失，仅残留低密度背景等离子体云，表明系统进入以粒子输运与热耗散为主导的衰减阶段。

5. 实验结论

本次基于千眼狼（Revealer）NEO25M型高速摄像机的紧凑环注入观测实验，在微秒级时间分辨能力支持下，实现了核聚变紧凑环注入过程的全时序结构观测，主要结论如下：

I. 紧凑环注入过程呈现清晰的“出枪、飞行、穿透及消散融合阶段“四阶段结构演化路径，其动力学特征表现为由整体连续结构向多尺度离散结构的转变。

II.在约90~350 μs时间窗口内，系统经历核心的结构失稳与拓扑重构过程，对应等离子体边界层破裂、颈缩及团簇断裂等关键物理行为。

III. NEO25M型高速摄像机在强瞬态自发辐射与极短时间尺度条件下，能够稳定有效获取具有高物理解释价值的图像序列数据，为核聚变供料过程的可视化诊断提供了有效技术手段，上述结果为聚变反应堆的紧凑环供料优化与注入稳定性控制提供了重要实验依据。