而热敏电阻（thermistor）则是一种特殊的电阻，其电阻值会受到温度高低的影响。因此只要测量电阻阻值的大小，就可以间接知道其温度的高低了。
所有这些测温工具，并不是直接测量温度的本质——微粒运动的快慢，而是都依赖温度的某个其他效应，也就是需要其他物质做媒介。
可是当人造太阳中等离子体的温度达到1亿度时，没有任何物质能够存在其旁边，所以这些间接的方法也就都失效了。要想测量这么高的温度，是时候回归温度的本质了。
电子测速：多管齐下
既然温度的本质是物质中微粒运动速度的快慢，要想在在1亿度高温下，进行温度测量，那就只能测量微粒运动的速度了。
在人造太阳中，待测温的工作物体是等离子体（plasma），构成等离子体的微粒是电子和离子。围绕着这两种微粒，科学家发明了一系列不同的测速工具。
其中一种方法是基于磁场的。当电子在磁场中运动时，磁场会对其施加一种称为“洛伦兹力”的作用力，使其进行螺旋运动。
而电子是带电的，进行旋转运动时会发射出电磁波，这电磁波的频率跟电子旋转的速度有关。这样，我们只要检测这电磁波的频率，就可以通过推导出的数学规律来计算出电子运动的速度。而根据这速度，我们就可以度量电子的温度。
（按定义来说，温度是“平均动能”的量度，因此只测量一个电子的速度，并不能得出其温度。要想判断等离子体的温度，必须测量一系列的电子，将其速度拟合到麦克斯韦-玻尔兹曼分布上。）
在磁场中，不同运动速度的电子会产生不同频率的螺旋，进而产生不同频率的电磁波。测定这一电磁波，可以知道电子运动的速度。图片来源：https://www.scienceinschool.org
而另一种方法的原理，跟交警使用的测速仪的原理是一样的，也就是多普勒效应（the Doppler effect）。
多普勒效应最直观的体现，就是当鸣笛的汽车从我们身边驶过。当汽车逐渐靠近我们时，鸣笛的音调会较高；而汽车离我们远去时，其鸣笛的音调会听起来更低一些。
多普勒效应原理示意图。图片来源：baidu.com
这是因为，汽车的运动速度影响了声音到达耳朵时的声速，从而使得我们感受到的声音频率发生了变化。
向飞驰的汽车发出一束雷达波，并且接收其反射波。反射波的频率会因为车速的影响而产生改变，因此测量这一改变的大小就可计算出车速。如果向等离子体中发出一束激光，那么激光就会与其中的电子发生相互作用，而产生该激光的散射（这一现象称为“汤姆逊散射”）。
散射出来的激光跟入射激光相对来说，其频率会稍有不同，这是由于散射过程受到了电子本身移动速度的影响，就好像雷达波受到车速影响，而改变了频率一样。
多普勒原理测量电子速度：左侧的激光照在电子上发生汤姆逊散射，由于电子运动速度的影响，散射光的频率发生变化（变红或变蓝），上方的检测器可以检测频率变化，进而推算电子的速度。图片来源：https://www.scienceinschool.org
通过测量这一频率的变化，就可以算出电子的运动速度，进而算出等离子体的温度。
变废为宝：离子测速
测量1亿度的高温，不能只依赖一种方法。除了电子速度的测量之外，科学家需要一些测量离子温度（也就是说，测量离子速度）的方法。
由于氢离子仅由一颗质子构成，其大小不足以被探测到，所以直接测量氢离子速度不太容易实现。但人们发现，等离子体中不可避免地会混入一些杂质，这些杂质成分给了科学家以灵感。
例如，有些等离子体约束装置中会含有金属钨，这就使得工作等离子体中混有痕迹量的钨。钨原子是较重的原子，这就使其原子核的电磁吸引力非常大，以至于在1亿度的高温下，仍然能束缚住不少核外电子。
在高温下，被束缚的核外电子会发出X射线辐射，这一辐射同样也会因为钨离子本身的速度而产生多普勒效应。通过测量这一多普勒效应，也就可以算出该离子的速度，并且进一步推算出离子温度了。
多个测温方法都有其优劣点，联合运用才可以更准确地测得温度。
何时才能实现“能量自由”？
对于人类社会来说，能源是推动社会发展的重要动力，能源的发展可以极大满足人类的很多需求。
例如，机械和肥料的使用让人们的粮食产量大为增加，而机械和肥料都是需要大量能量才能获得的物资；汽车和飞机让人们的交通更加便捷，从北京到上海只要几个小时，这在前工业时代是不可想象的。
如果难以理解可控核聚变对人类的意义，不妨来考虑一下人类驯服野牛野马的过程。牛马等畜力为人类提供了充足而廉价的动力来源，极大地提升了人类的活动范围和耕作能力，让人类得到了更进一步的解放和发展。
而核聚变与牛马的不同就在于，一克核聚变燃料所能释放的能量，约等于一匹马不眠不休地工作14.5年所贡献的能量（马：求求你做个人吧！）。
因此，早日实现可控核聚变，获得“能量自由”的重要性，就不言而喻了。辛勤工作的科研工作者获得的重要成果来之不易，让我们期待人类早日实现“能量自由”吧！
参考文献：[1] Dooley P (2012) Seeing the light: monitoring fusion experiments. Science in School 24: 12-16.[2] Rüth C (2012) Harnessing the power of the Sun: fusion reactors. Science in School 22: 42-48.[3] https://web.archive.org/web/2007 ... lDistribution.html.
发表于 2021-6-29 23:45
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