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。

     相比较从ECER到ECEI的升级而言，从微波反射计到微波成像反射计MIR的升级难度更大。传统微波反射计采用平板模型，默认入射波波前（Transmitter wavefront）、反射波波前(Relfection wavefront)和等离子体内截止层(Cutoff layer)均为光滑平面；然而随着等离子体内部存在着多种尺度上的密度涨落，从而导致内部截止层凹凸不平。非光滑的截止层会导致反射波前的扭曲，从而在后端的探测器处产生相关结构（类似干涉条纹），导致波前相位解调不再像传统反射计一样简洁。此外，由于托卡马克内部磁面结构和密度分布不是径向的单变量函数，所以等离子体内部的截止层并非平面，而是呈现曲率半径指向真空外的曲面形状。因此为了实现极向大范围、高空间分辨率、二维密度实时成像，不仅需要类似于ECEI的极向探测器阵列、高集成度电子学系统，还需要功能更加完善、性能更佳的精密光学系统（General Optical Structure）。

      以上两种毫米波成像诊断技术，建立在传统的电子回旋辐射计和微波反射计的基础上，配置了大口径精密光学系统，高精度、高增益，低噪声的探测器阵列，性能优良的高集成微波电子学系统，以及高速海量数据数据采集处理系统，实现了对托卡马克内部等离子体密度和温度的二维高时空分辨测量。这样的诊断方法，弥补了传统诊断中观测范围小、空间分辨差等缺陷。同时由于是二维高速实时成像诊断，可以将高温等离子体内的不稳定性通过图像的方式直观的显示，提高了测量结果的置信度。上述两项技术已经成功应用于中国EAST，HL-2A/2M,HT-7,J-TEXT,美国DIII-D,韩国KSTAR，德国ASDEX－U，TEXTOR等托卡马克上，并取得了多项重要的成果，为磁约束等离子体物理研究，提供了稀缺的实验数据。

    毫米波成像诊断技术的研发过程中，相关技术水平也有所突破，例如通用光学结构，高增益低噪声探测器，高集成度微带电路，智能全自动程控系统，高速海量数据采集处理系统，恶劣电磁噪声环境屏蔽工程，高频选择性表面，数字波前构建技术，内置本振馈入天线,CMOS微波源等。技术研发的过程中，同时培养了等离子体物理、毫米波工程技术方面的年轻人才。截止到2016年为止，参与以上技术研发的人员超过30人（中国，美国，德国，韩国，日本，加拿大，巴基斯坦），其中年龄低于30岁的占50%以上。这支年轻的人才梯队，将有望成为未来聚变能工程和毫米波成像技术领域的主力军。人才是发展的原动力，人才的培养是长期的回报。

    最后感谢中国科学院等离子体物理研究所，西南核物理研究院，华中科技大学，中国科学技术大学，美国加州大学戴维斯毫米波研究中心，普林斯顿等离子体物理国家实验室，科罗拉多大学等对上述技术研发提供的支持。