一种高温等离子体有效电荷数的实时光学测量装置

摘要

本发明涉及一种高温等离子体有效电荷数的实时光学测量装置，包括设置在光学玻璃窗口外侧的排成一列的若干个准直通光孔、设置在准直通光孔另一侧的与准直通光孔位置对应的若干个双波段窄带滤波片、设置在窄带滤波片另一侧的与双波段窄带滤波片位置对应的若干个聚焦透镜、设置在聚焦透镜另一侧的与聚焦透镜位置对应的若干个双波段探测器、以及与双波段探测器电连接的信号放大采集装置，双波段探测器的接收端面位于所述聚焦透镜的一倍焦距位置处；光学玻璃窗口、准直通光孔、双波段窄带滤波片、聚焦透镜、以及双波段探测器由安装箱进行光屏蔽。本发明可以更准确的提供等离子体有效电荷数数据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高温等离子体有效电荷数的实时光学测量装置，特别是 涉及一种聚变研究装置上的等离子体有效电荷数的实时光学测量装置。

背景技术

有效电荷数Z_eff是等离子体中离子的平均核电荷数，它反映了等离子体中 总的杂质水平。Z_eff与等离子体轫致辐射的强度成正比关系，它对非相干汤姆 逊散射系统测量的电子温度和电子密度的数据误差分析有影响。另外，Z_eff数 据在托卡马克物理实验中也是很重要的，托卡马克等离子体中杂质的存在使 得轫致辐射和线谱辐射增强，加快了等离子体的能量损失，从而降低了等离 子体约束品质；稳定性分析显示，Z_eff的径向分布还影响电流密度的径向分布。 在L-H转换机制、杂质聚中与排除、边缘电流密度分布对台基等离子体稳定 性的作用、以及边缘局域模的控制与缓解等研究工作中，等离子体Z_eff是一个 很重要的参数。国际上Z_eff的测量方法有很多，最常见的是利用可见光波段， 如波长535nm附近的轫致辐射，在高温等离子体中该波段没有线辐射干扰。 但是在边缘等离子体区域，杂质或中性气体的线辐射较强，会对可见光波段 的轫致辐射测量造成干扰。因此，国际上一些大中型等托卡马克装置上已经 开始在近红外光波段，如中心波长940nm/带宽5nm、或中心波长980nm/带宽 5nm，测量轫致辐射强度从而获得Z_eff数据，但还没有文献报道有使用这种双 波段的光学测量方法，也没有在1100～2000nm近红外波段区开展轫致辐射从 而计算Z_eff的测量。等离子体放电、辉光放电清洗以及硅化壁处理都会对测量 轫致辐射的光学窗口造成不同程度的喷镀污染，使轫致辐射强度的实时测量 结果的准确性受到一定程度的影响，给实验结果带来很大的误差。因此亟需 一种能够更准确的探测高温等离子体有效电荷数的实时光学测量装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种更准确的探测高温等离子体有效电 荷数的实时光学测量装置。

为解决上述技术问题，本发明一种高温等离子体有效电荷数的实时光学 测量装置，高温等离子体装置器壁上设置有光学玻璃窗口，本发明包括设置 在光学玻璃窗口外侧的排成一列的若干个准直通光孔、设置在准直通光孔另 一侧的与准直通光孔位置对应的若干个双波段窄带滤波片、设置在双波段窄 带滤波片另一侧的与双波段窄带滤波片位置对应的若干个聚焦透镜、设置在 聚焦透镜另一侧的与聚焦透镜位置对应的若干个双波段探测器、以及与双波 段探测器电连接的信号放大采集装置，双波段探测器的接收端面位于所述聚 焦透镜的一倍焦距位置处；光学玻璃窗口、准直通光孔、双波段窄带滤波片、 聚焦透镜、以及双波段探测器由安装箱进行光屏蔽。

与光学玻璃窗口相对的高温等离子体装置器壁内壁上设置有消光器。

双波段窄带滤波片的带通范围分别为中心波长800nm/带宽5nm、中心波 长1450nm/带宽5nm，带通范围的透过率大于50％。

准直通光孔的个数为15个。

光学玻璃窗口外侧还设置有用于测量光学玻璃窗口透过率的硬件设施。

本发明通过采用双波段窄带滤波片和双波段探测器的滤波和探测方法， 通过测量中心波长800nm/带宽5nm和中心波长为1450nm/带宽5nm的轫致辐 射强度，用积分球对散射强度进行绝对标定，就可以得出聚变装置等离子体 的轫致辐射信息及相应的Z_eff。再对这两个波带内的测量结果进行比较，可以 更准确的提供等离子体Z_eff数据，即等离子体Z_eff的空间分布和时间演化，从 而给出了评价等离子体性能的一个很重要的指标。

本发明在测量等离子体轫致辐射的同时，在光学玻璃窗口还设置有用于 测量光学玻璃窗口透过率的硬件设施，通过监测窗口透过率的实时变化，利 用测量到的窗口透过率值对轫致辐射强度进行补偿，就可以避免由于窗口污 染对韧致辐射光谱强度测量的干扰。

附图说明

图1为本发明所提供的一种高温等离子体有效电荷数的实时光学测量装 置的示意图。

图中：1为消光器，2为等离子体，3为光学玻璃窗口，4为安装箱，5 为准直通光孔，6为双波段窄带滤波片，7为聚焦透镜，8为双波段探测器， 9为信号放大采集装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

高温等离子体装置器壁上通过法兰设置有光学玻璃窗口3，光学玻璃窗 口3外侧由螺钉固定安装有可以进行光屏蔽的安装箱4。

在安装箱4内光学玻璃窗口3外侧固定设置有排成一列的15个准直通光 孔5，每个准直通光孔5的直径为5mm。准直通光孔5通过螺钉与安装箱4 固定。准直通光孔5主要用来避免环境杂散光对该测量通道的干扰，以及不 同测量通道的相互干扰。

在安装箱4内准直通光孔5另一侧固定设置有与准直通光孔5位置对应 的十五个双波段窄带滤波片6，双波段窄带滤波片6的带通范围分别为中心 波长800nm/带宽5nm、中心波长1450nm/带宽5nm，带通范围的透过率大于 50％。因为在高温等离子体装置内各种粒子的线辐射波长不在这两个带宽范 围内，不会干扰对等离子体轫致辐射信号的测量。本发明优选采用成都光电 所镀膜室生产的符合相关参数的双波段窄带滤波片6。双波段窄带滤波片6 通过固定在安装箱4内的镜架整体安装。

在安装箱4内双波段窄带滤波片6另一侧固定设置有与双波段窄带滤波 片6位置对应的十五个聚焦透镜7，每个聚焦透镜7的直径为15mm，15个 聚焦透镜7空间排列的总长度为300mm。聚焦透镜7通过光学镜架镜杆与安 装箱4固定。

在安装箱4内聚焦透镜7另一侧固定设置有与聚焦透镜7位置对应的十 五个双波段探测器8，双波段探测器8的接收端面位于聚焦透镜7的一倍焦 距位置处。双波段探测器8通过固定在安装箱4内的支架整体安装。本发明 优选采用中电科技集团总公司第44研究所生产的型号为GD7510Y的双波段 探测器8。聚焦透镜7的主要作用是增加了双波段探测器8接收到的辐射光 的强度。

本发明还包括与双波段探测器8电连接的信号放大采集装置9。

本发明还包括粘接或通过螺钉固定在与光学玻璃窗口相对的高温等离子 体装置器壁内壁上的消光器1。消光器1可以避免器壁反射对测量的影响。

本发明还包括在光学玻璃窗口外侧剩余空间设置的用于测量光学玻璃窗 口透过率的硬件设施，如分光光度计。

双波段光电探测器GD7510Y有两个光敏面，这两个光敏面是叠放在一起 的，所对应的信号端子和电源端子是分开的，互不干扰，保证了各自的光信 号探测与电信号输出的独立性。测量时等离子体中的辐射光穿过光学玻璃窗 口3，经准直通光孔5、双波段窄带滤波片6滤波、聚焦透镜7聚焦之后被双 波段探测器8接收，再经过信号放大采集装置9，就可以得到轫致辐射强度 的信号。

本发明可以测量到等离子体一列15个空间分布的轫致辐射强度，在中心 区域光几乎垂直于玻璃窗口，而在边缘区域光的入射角小于10度。数据处理 时，利用窗口透过率测量得到的数据进行补偿，可以避免由于辉光放电清洗、 硅化器壁处理以及等离子体放电造成的光学玻璃窗口污染对轫致辐射强度绝 对测量的干扰。对这两个光学波带内的测量结果进行比较分析，可以获得更 准确的等离子体Z_eff空间分布和时间演化的数据。