用于稳态托卡马克装置等离子体光学诊断的角锥棱镜

摘要

本发明公开了一种用于稳态托卡马克装置等离子体光学诊断的角锥棱镜，包括有基体反射镜，所述的基体反射镜的相互垂直的两个端面分别通过螺钉一安装有反射镜块，基体反射镜和两个反射镜块形成三个相互垂直的光学反射面，光学反射面直接面对等离子体，所述的基体反射镜通过螺钉二固定在连接块上，在基体反射镜与连接块之间设有软石墨片，在螺钉二与连接块之间设有弹簧垫圈，所述的连接块固定在托卡马克第一壁上，以固定和冷却整个角锥棱镜。本发明能承受100 kW/m

说明书

技术领域

    本发明涉及一种光学诊断元件，尤其涉及一种用于稳态托卡马克装置等离子体光学诊断的角锥棱镜。

背景技术

在托卡马克磁约束核聚变研究中，光学诊断是目前应用最为广泛的等离子体物理诊断技术之一。利用激光干涉法测量等离子体的密度就是典型代表。在早期的托卡马克中，装置结构相对简单，可以设置对称的上下垂直窗口，激光干涉仪的所有光学元件都可以布置在真空室外面。在现代托卡马克装置中，多采用偏滤器结构以开展先进托卡马克运行模式研究，无法开设对称的上下垂直窗口（如ITER装置）或复杂的偏滤器结构会挡住了光线的上下通道，激光干涉系统必须在真空室内的第一壁上放置角锥棱镜，才能将携带等离子体特征信息的光束反射并沿原路返回至真空室外的接收装置，进而与参考光束发生干涉，由此推算等离子体的密度。

安装在第一壁上的角锥棱镜，其光学反射镜必须面对等离子体，以接收入射光束并将光束反射回去，而角锥棱镜的其他部件可以躲藏在第一壁后面，免受等离子体的直接热辐射。光学反射镜尽管可以采用下沉式设计以避免高能粒子的直接轰击，但是它逃脱不了来自等离子体的高热负荷作用。热负荷值随着等离子体运行参数的提高而提高，可达几十甚至上百kW/m²。热负荷作用下，必然在角锥棱镜内形成温度梯度，从而引起热应力和变形。这点对稳态运行托卡马克装置尤其严重。角锥棱镜三个反射面的微观变形导致的表面倾斜或三个反射面不再相互垂直，都会使反射光束和入射光束不再是理想平行，而是存在一个角度误差。为了保证激光干涉测量的精密性，角度误差一般要小于50弧秒，这要求各反射面的变形量<1μm。因此如何合理设计角锥棱镜结构，使其能承受上百kW/m²的热负荷，且反射面的变形量<1μm，是等离子体激光干涉测量系统研制中至关重要的一个问题。除了热负荷外，角锥棱镜同直接面对等离子体的第一壁一样，会在磁体电流变化、等离子体破裂、垂直位移事件发生时，自身结构内有感应电流的产生，进而与环境磁场作用，产生强大的电磁力。所以角锥棱镜必须有合理的结构设计以降低感应电流值，足够高的结构强度以抵抗电磁力和热应力。此外，直接面对等离子体的光学反射镜的材料必须与等离子体具有很好的相容性，以避免反射镜基材在等离子体热轰击下产生粒子作为杂质越过第一壁污染等离子体，影响正常等离子体放电过程。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种用于稳态托卡马克装置等离子体光学诊断的角锥棱镜。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于稳态托卡马克装置等离子体光学诊断的角锥棱镜，包括有基体反射镜，所述的基体反射镜的相互垂直的两个端面分别通过螺钉一安装有反射镜块，基体反射镜和两个反射镜块形成三个相互垂直的光学反射面，光学反射面直接面对等离子体，所述的基体反射镜通过螺钉二固定在连接块上，在基体反射镜与连接块之间设有软石墨片，在螺钉二与连接块之间设有弹簧垫圈，所述的连接块固定在托卡马克第一壁上，以固定和冷却整个角锥棱镜。

所述的螺钉一、螺钉二、基体反射镜和反射镜块均采用钼合金TZM制造，具有良好的与等离子体的兼容性，高机械强度和高热导率，以杜绝因材料不一致引起的连接副内的热膨胀不一致，从而避免高热应力的产生，保证结构可靠性。

所述的连接块采用316L不锈钢制造，以减小等离子体运行工况下其结构内的感应涡流，同时保证足够的强度。

所述的基体反射镜厚15mm；反射镜块厚5mm；连接块厚10mm，基体反射镜和两个反射镜块形成的角锥棱镜孔穴约为25mm，作用于角锥棱镜反射面上的来自等离子体辐射热载荷为100 kW/m²。。

所述的基体反射镜、反射镜块和连接块的尺寸根据角锥棱镜的安装空间及其所承受的来自等离子体的辐射热载荷确定。

本发明的优点是：本发明能承受100 kW/m²的热负荷，其光学反射面的热变形<1μm，具有高结构强度以抵抗热应力及电磁力，镜面材料与高温等离子体有良好的兼容性。

附图说明

图1为从等离子体侧的观测结构图。

图2为从真空室侧的观测结构图。

具体实施方式

如图1、2所示，一种用于稳态托卡马克装置等离子体光学诊断的角锥棱镜，包括有基体反射镜1，所述的基体反射镜1的相互垂直的两个端面分别通过螺钉一2安装有反射镜块3，基体反射镜1和两个反射镜块3形成三个相互垂直的光学反射面，光学反射面直接面对等离子体，所述的基体反射镜1通过螺钉二4固定在连接块5上，在基体反射镜1与连接块5之间设有软石墨片6，在螺钉二4与连接块5之间设有弹簧垫圈7，所述的连接块5固定在托卡马克第一壁上，以固定和冷却整个角锥棱镜。

所述的螺钉一2、螺钉二4、基体反射镜1和反射镜块3均采用钼合金TZM制造，具有良好的与等离子体的兼容性，高机械强度和高热导率，以杜绝因材料不一致引起的连接副内的热膨胀不一致，从而避免高热应力的产生，保证结构可靠性。

所述的连接块5采用316L不锈钢制造，以减小等离子体运行工况下其结构内的感应涡流，同时保证足够的强度。

所述的基体反射镜1厚15mm；反射镜块3厚5mm；连接块5厚10mm，基体反射镜1和两个反射镜块3形成的角锥棱镜孔穴约为25mm，作用于角锥棱镜反射面上的来自等离子体辐射热载荷为100 kW/m²。。

所述的基体反射镜1、反射镜块3和连接块5的尺寸根据角锥棱镜的安装空间及其所承受的来自等离子体的辐射热载荷确定。