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内墙反射式远红外激光干涉仪的设计与应用

时间:2019-02-08 20:07:09 来源:2019时时彩十大平台最新排行榜 作者:匿名



介绍

在高温磁约束等离子体诊断研究中,等离子体电子密度是最基本和最重要的等离子体参数。世界上大型和中型磁约束装置使用不同波长的远红外激光干涉仪来检测电子密度。例如,JET使用DCN激光干涉仪,RTP使用CH3OH激光干涉仪[1],而TEXTOR使用HCN激光干涉仪。连续得到了电子密度值和分布曲线,深入研究了许多物理实验中的密度行为,得到了令人鼓舞的结果。 HL22A是中国首款封闭式偏向器托卡马克装置。 [2]。在聚变装置中引入偏滤器概念增加了主动控制真空室中的粒子流和能量流的可能性,将杂质源与主等离子体分离,从而提高了熔合效率。通常,托卡马克等离子体电子密度测量使用垂直串[3]的光路布局,并且干涉仪的所有光学部件可以布置在真空室外部。 HL22A设备偏滤器分离器阻挡光的上下通道,干涉测量只能采用横向弦的光路布置,这意味着一部分光学元件必须放置在等离子体的真空室中排出。本文将介绍水平内壁反射迈克尔逊型远红外激光干涉仪的研制及其在HL22A器件实验中的应用。

1测量原理

在均匀磁等离子体中,当离子的运动和电子的热速度可忽略不计时,等离子体的折射率N可满足Appleton 2 Hartree方程。

其中X=ω2p/ω2,Y=ωce/ω,ωp=(nee2 /ε0me)1/2是等离子体频率,ωce=eB/me是电子的回旋频率,ω是入射波的频率, B是等离子体体内的磁场,θ是入射波矢量k和B之间的角度,ne是电子密度,ε0是真空中的介电常数,me是电子的质量。 ±符号表示与磁场方向平行或垂直的探测光束的电场矢量。

如果探测光束通过厚度为Z2-Z1的等离子体,则参考路径光束和未通过等离子体的探测光束将产生相位差。这里N0是真空中的折射率N0=1,Z2-Z1是通过等离子体介质的路径,N=[1-(ne/nc)] 1/2≈1-12(ne/nc)≈1-( Ω2p/2ω2)是等离子体的折射率。将这些参数代入等式(3)给出

通过测量干涉仪的相位变化可以获得等离子体电子密度的测量结果。

2内壁反射干涉仪的设计

由于偏滤器线圈的限制,HL22A设备几乎没有可用的上下诊断窗口,等离子体参数的测量大多使用水平窗口。 HL22A真空室的内壁没有窗口,探头光束只能通过内置镜子返回干涉仪。因此,干涉仪的选择结构采用迈克尔逊型。

干涉仪中使用的主要光学器件是:反射镜,反射凹面镜,分束器,诊断窗口和光栅。镜面和反射凹面镜由镀铝镜或镀金镜面制成,用于K9玻璃底座,在远红外范围内进行反射和聚焦,损耗系数为1%,孔径为2.2d( d是镜子上的光束)尺寸)计算。在等离子体电子密度的诊断中,为了使检测的空间分辨率最佳,探测光束的束腰应放置在托卡马克等离子体的中平面上,束腰应尽可能小可能。 FIR激光传输满足高斯光束传播规律,光束腰与发散角之间的关系成反比。光束腰部越小,到达诊断窗口的光束越大,窗口尺寸越严格,因此两者必须受到损害。我们使用独立的光路设计方法:来确定窗口的孔径和从窗口到等离子体中心的距离,作为确定等离子体中心的束腰的限制条件;等离子束腰部和中心到真空室壁的距离确定悬挂镜的曲率半径(即,镜子的曲率等于光束的曲率)。以这种方式,探测光束可以通过与入射光束完全重合而从内壁的原始壁返回到诊断窗口。

用于干涉测量的托卡马克的诊断窗口通常由石英晶体制成。为了最大化入射光束的透射,并使吸收和反射最小化,我们使用平行于光轴z切割的晶体,并且满足垂直于入射表面的入射波电场矢量,平行于光学轴。除了诊断窗口的限制之外,在干涉仪的设计中还必须考虑以下束腰位置。: HCN激光器的腰部位于输出端口。等离子体中心的腰部由装置的几何形状决定。由于反射表面较小,多普勒频移光栅也应放在腰部。探测器接收表面也应位于腰部。因此,利用单面转换镜头或单面反射凹面镜不可能进行如此多的变换,并且需要将变换与多面镜头组合。

图1是HL22A激光迈克尔逊型干涉仪的示意图。 3m腔长HCN激光束的腰围为d0=21。 5mm处。激光束从装置大厅的底层通过凹面镜M3引入第二层,并进入由多个导轨组成的干涉仪的光路主体。 。 SP1分束器将光束分成两部分,即测量光束和参考光束。凹透镜的M9和M2设置测量光束的束腰从8. 77mm到等离子赤道平面的中心13mm,并且窗口处的光束点最小,值为18.4毫米。 。在离等离子体中心腰部524mm处,放置一个凹面镜,它从光束返回光束,并与中心的入射光束腰部重合。由等离子体返回的参考光束和产生通过光栅的多普勒频移的参考光束在SP3处合并,并且光束腰部由短焦距凹面镜转换到Φ2的TGS检测器的端面上,从而获得测量的轨道差异。信号被采集。在参考通道中,它由SP2分束器分为两部分,一部分是光栅调制,另一部分不通过光栅,两部分在SP5相遇,M8短焦凹面镜聚焦在TGS上探测器。产生参考差拍信号。

在托卡马克等离子体放电过程中,由于高能粒子的轰击,射频波放电电弧和壁处理技术,真空室中面向等离子体的壁,窗和镜子经受溅射和薄膜涂覆。覆盖。为此,我们设计了一个多反射防污挡板,放置在内置壁镜的两侧(挡板位于孔杆的阴影区域)。经过2002年和2003年的两轮实验,结果表明玻璃基板上的金膜溅射了镀金凹面镜20天放电的95%以上,没有防污装置。薄膜厚度(图2(a))。使用防污装置沉积80%的金膜超过50天(参见图2(b))。镜面反射的337μm激光在不同的污染区域具有不同的性能。:在电弧区(图中小图案区域),FIR激光器的反射率为75%,在粒子的沉积区域(图中上下部分)FIR激光器的反射率为60%。等离子体放电会对器件产生一些机械振动。因此,弹簧加载结构用于内部镜框[5]的设计。3软件比较阶段数据处理技术

HL22A托卡马克装置采用空心变压器的结构。设备周围存在大的杂散磁场,这会对测量系统造成一定的干扰。通常,干涉仪的信号采集和处理采用硬件相位比较方法[6]。由于本文所述的内壁反射激光干涉仪的探测器距离器件约4 m,因此放电过程中产生的干扰通常会导致条纹数量。为此,我们使用新软件来比较相位技术。原理如图3所示。参考路径的正弦波拍频信号和热电探测器TGS测得的探测路径分别通过频率为10k±的带通滤波器放大系统输入1M采样率采集系统。 2k,并通过A/D转换PC。两个信号的原始数据存储在计算机中。软件识别技术用于找到正弦波的周期和各自的过零位置,比较参考路径的相位和测量路径,并从等式(4)获得电子密度的信息。

由于软件比较方法存储干涉仪的拍频信号记录,当放电干扰干涉仪系统时,可以分析原始信号以找到干扰的位置,并且过零点的阈值范围和位置由不同的确定。选择条件陈述。增加或消除条纹并获得合理的密度曲线,这可以提高整个系统的测量精度。

HL22A内壁反射干涉仪测量等离子体电流Ip的精度