聚变发电利用高温等离子体中聚变反应产生的能量。为此，需要精确测量快速变化的高温等离子体，以了解和控制物理现象。日本国立聚变科学研究所和美国威斯康星大学的一个研究小组开发了一种高性能激光装置，并成功推进了一种以20,000的世界纪录速度测量等离子体中电子温度和密度的方法每秒处理近70个空间点，比传统方法快600多倍。结果，可以详细研究等离子体的快速变化，这一直是困难的。先进的测量技术对聚变研究至关重要。

在大型螺旋装置(LHD)中，进行了将聚变发电所需的高温等离子体限制在磁场中的研究。等离子体是一种电子和离子分散并四处移动的状态，温度越高，它们移动的越快。为了测量这些电子的温度，使用了一种称为“汤姆逊散射测量”的技术。

在这种技术中，强大的激光束被注入等离子体，并测量当它撞击电子时产生的“散射光”。由于多普勒效应，散射光变为与入射激光不同的颜色。由于这种颜色变化与电子的速度相对应，我们可以根据散射光的颜色确定它们的温度，并根据其亮度确定电子密度。

等离子体的电子温度和密度因地而异，并且随时间变化极快。为了准确确定等离子体状态，汤姆逊散射测量系统必须具有尽可能精细地测量电子温度和密度的空间分布的空间分辨率，以及尽可能快地测量随时间变化的时间分辨率。

LHDThomson散射系统同时测量等离子体中144个点的电子温度和密度。这是世界顶级的空间分辨率。时间变化是通过向等离子体中重复注入激光脉冲来测量的，但以前LHD汤姆逊散射系统的时间分辨率仅为每秒30次。要深入了解我们所看到的物理现象并做出新的发现，就必须提高时间分辨率。

特别是，更快的测量速度可以对等离子体中发生的瞬态现象进行详细测量，从而为理解和控制这种现象提供了一种强有力的方法。

国立聚变科学研究所的安原良副教授、船叶久通助理教授和上原日和助理教授与威斯康星大学的丹尼尔·J·登·哈托格教授共同开发了汤姆森散射测量系统，该系统能够测量高达20kHz(每秒20,000次)。

等离子电子温度计比传统系统快600倍。图片来源：国家聚变科学研究所

新测量系统的核心是一种激光设备，可以高速产生多次强光。在该激光系统中，激光介质(在本研究中为固体介质)被赋予光能(激发光)以产生强大的激光束。但是，由于激光束的产生效率不是100%，所以没有转化为激光的能量变成了热量。

因此，在高激光重复率下，固体介质中的发热成为一个问题。当介质因发热而产生温差时，就会出现热光效应，由于光的折射率因地而异，所以光不能直线前进。热光效应会导致激光输出功率的降低和对固体介质的破坏。

研究小组通过向介质施加能量并在极短的5ms时间内多次从介质中提取激光脉冲来避免热光效应的问题，然后介质中出现温差。结果，他们成功地开发出一种能够实现20kHz高速重复频率的激光器。

这种高性能激光器、新开发的高速数据采集系统和迄今为止开发的先进分析方法，使他们能够实现汤姆逊散射测量系统，能够以20kHz的世界纪录速度进行计算，速度提高600倍以上比传统系统。

Yasuhara副教授说：“正如伽利略利用高性能望远镜取得重要的天文发现一样，我想通过引入快速电子温度和密度分布来进一步发展聚变研究。我们希望这将导致更精确的了解过去难以观察到的物理现象，例如注入等离子体和由湍流引起的瞬态现象。”

一篇总结了这项研究的一些结果的论文发表在了《科学报告》上。