一种基于窄带通滤光片的连续谱滤波分光探测系统的制作方法

1.本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种基于窄带通滤光片的连续谱滤波分光探测系统。


背景技术：

2.磁约束聚变实验中，中性束注入是提高离子温度，增加等离子体储能和加强等离子体约束的重要加热手段。在有中性束(氘)注入的等离子体中，会产生高能量粒子，即中性束粒子。当中性束粒子与电子和离子发生相互作用后，会在等离子体中产生快离子，快离子再与中性束粒子发生电荷交换会变为快中性粒子。当本底离子与中性束粒子发生电荷交换后会变为热晕中性粒子。此外，在等离子体边缘还存在冷中性粒子。冷中性粒子处于激发态时，会发生n＝3到n＝2的能态跃迁，发射出d-alpha线谱。同样的，快中性粒子，也会发射出d-alpha光线，但是由于快中性粒子具有远高于冷中性粒子的速度，d-alpha线会发生多普勒频移，探测器接收到的谱变为连续谱，即fida谱。中性束粒子也具有超高速度，会产生多普勒频移束发射谱(bes谱)。由于用氘中性束注入，束发射谱也叫氘束发射谱。氘中性束注入时会带入少量的氢中性束粒子，这部分叫氢束发射谱(hbes谱)。并且，在等离子体中还有种广泛存在的连续谱，它产生于电子与离子的库伦碰撞，即韧致辐射谱(brem谱)。在这些连续谱中，fida谱是强度最弱的谱，它与brem谱强度相当，约比hbes谱小10倍，约比bes谱小1000倍。为了排除这些干扰并探测到有效的fida谱信号，就有了聚变装置上的fida诊断。当中性束注入能量不够高(小于45kev)的条件下，fida谱区宽度比较窄(小于1nm)，往往会有其它多个连续谱同时存在，为解决该难题，fida诊断需要进行改进和完善。
3.磁约束聚变装置上，基于光谱仪分光的fida谱诊断是利用光谱仪中的光栅进行各波长成分的分光，ccd相机进行光电转换和数据采集。fida谱诊断能够获得有效的fida谱，并在等离子体内布置多点测量获得fida强度的空间分布，但是时间分辨处于10毫秒量级。对于聚变等离子体内更加快速变化物理过程中的fida信号，ccd探测器由于捕捉不到足够的光子并且响应速度受限而无法实现有效探测。随着滤波片技术的成熟，基于多通道1nm窄带通滤波片进行多普勒频移谱的谱区分光，光电倍增管进行增益探测，计算机软件进行通道差分的连续谱分光探测系统，能够有效区分各种信号源，排除强信号源的干扰，获得有效的fida信号。并且，通过在等离子体内布置多个测量点，该探测系统能够获得fida强度的空间分布，时间分辨能够提升到100微秒量级(是基于光谱仪分光的fida谱诊断的100倍)，为进行等离子体中快物理过程的分析提供重要诊断依据。相较基于光谱仪分光的fida谱诊断，该探测系统具有探测信号强、时间分辨高的优势，并且整个系统研制成本也要低得多。
4.因此，需要提供一种基于窄带通滤光片的连续谱滤波分光探测系统，以解决现有技术存在的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供一种基于窄带通滤光片的连续谱滤波分光探测系统，解
决各种信号源的分离、强信号源的干扰排除和足够强度测量信号的提取，完善和提升了fida诊断技术，拓宽了光电倍增管探测的适用范围。
6.本发明采用的技术方案：
7.一种基于窄带通滤光片的连续谱滤波分光探测系统，包括透镜组、光纤束、滤波系统、电流放大器、数据采集分析系统，其中，透镜组与光纤束的一端相接，光纤束在该端密排，光纤束的另一端均分成四道滤波通道，四道滤波通道分别接入四道滤波系统，四道滤波系统的末端线分别接入电流放大器和数据采集分析系统，实现信号的放大、采集与处理。
8.所述透镜组安装于磁约束聚变装置与光纤束之间，对等离子体目标位置的光进行收集、成像。
9.所述第一道滤波通道接入由入射透镜a、窄带通滤光片a、出射透镜a相连组合的滤波系统，出射透镜a末端与光电倍增管a的入孔相接。
10.所述窄带通滤波片a工作区间：659-660nm，会提取90％的光信号，采集到的信号包含：2.7％的bes、27％的hbes、90％的fida和brem信号。
11.所述第二道滤波通道接入由入射透镜b、组合衰减片、窄带通滤波片b、出射透镜b相连组合的滤波系统，出射透镜b末端与光电倍增管b的入孔相接。
12.所述窄带通滤波片b工作区间：658-659nm，会提取90％的光信号，组合衰减片，阻带范围650-670nm，由10％、30％衰减片串联而成，得到2.7％的bes信号。
13.所述第三道滤波通道接入由入射透镜c、衰减片、窄带通滤波片c、出射透镜c相连组合的滤波系统，出射透镜c末端与光电倍增管c的入孔相接。
14.所述窄带通滤波片c工作区间：660-661nm，会提取90％的光信号，衰减片，阻带范围650-670nm，透过率30％，得到27％的hbes信号。
15.所述第四道滤波通道接入由入射透镜d、窄带通滤波片d、出射透镜d相连组合的滤波系统，出射透镜d末端与光电倍增管d的入孔相接。
16.所述窄带通滤波片d工作区间：661-662nm，得到90％的brem信号。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
18.(1)本发明提供一种基于窄带通滤光片的连续谱滤波分光探测系统，采用了不同波长区间的窄带通滤波片和衰减片的组合，解决各种信号源的分离、强信号源的干扰排除和有效测量信号的甄别。
19.(2)本发明提供一种基于窄带通滤光片的连续谱滤波分光探测系统，采用光电倍增管与电流放大器，及具有差分功能的数据采集分析器的组合解决了有效测量弱光信号的放大识别和完全提取。
20.(3)本发明提供一种基于窄带通滤光片的连续谱滤波分光探测系统，采用1nm的定制滤波片、通用的光电倍增管和差分分析技术，实现了复杂成分连续光谱重叠区，微弱光信号的识别和放大提取，与光谱仪相比，实用性强、且成本低。
21.(4)本发明提供一种基于窄带通滤光片的连续谱滤波分光探测系统，解决了聚变装置上fida诊断在干扰源多的情况下，信号空间分布的高时间分辨探测问题，为前沿物理快过程的实验研究提供重要基础。
附图说明
22.图1为本发明所提供的一种基于窄带通滤光片的连续谱滤波分光探测系统结构示意图；
23.图2为发射谱对应的波段和强度；
24.图3为发射谱经过本发明所布置的滤波系统后对应的光谱成份和信号强度；
25.图1中：1-透镜；2-光纤束；3-入射透镜a、4-入射透镜b；5-入射透镜c；6-入射透镜d；7-组合衰减片；8-衰减片；9-窄带通滤光片a；10-窄带通滤光片b；11-窄带通滤光片c；12-窄带通滤光片d；13-出射透镜a、14-出射透镜b；15-出射透镜c；16-出射透镜d；17-光电倍增管a；18-光电倍增管b；19-光电倍增管c；20-光电倍增管d；21-电流放大器；22-数据采集分析系统。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.本发明所提供的一种基于窄带通滤光片的连续谱滤波分光探测系统，包括三个部分：
30.第一部分，等离子体中目标发射光的收集和传导，主要由安装于装置的成像透镜组与光纤构成；
31.第二部分，不同谱区光信号的提取和光电转换放大，主要由窄带通滤波片、衰减片完成目标信号的甄别，光电倍增管将微弱光信号放大，并转化为电信号；
32.第三部分，电信号的放大、数据采集和分析、fida有效信号的获取，主要由电流放大器、数据采集器构成，并需要通过控制系统对数据进行差分操作。
33.具体的，
34.如图1所示，本发明所提供的一种基于窄带通滤光片的连续谱滤波分光探测系统，该系统包括：透镜组1、光纤束2、入射透镜a3、入射透镜b4、入射透镜c5、入射透d6、组合衰减片7、衰减片8、窄带通滤光片a9、窄带通滤光片b10、窄带通滤光片c11、窄带通滤光片d12、出射透镜a13、出射透镜b14、出射透镜c15、出射透镜d16、光电倍增管a17、光电倍增管b18、光
电倍增管c19、光电倍增管d20、电流放大器21、数据采集分析系统22，
35.其中，透镜组1与光纤束2的一端相接，光纤束2在该端密排，光纤束2的另一端均分成4道滤波通道。
36.第一道滤波通道接入由入射透镜a3、窄带通滤光片a9、出射透镜a13相连组合的滤波系统，出射透镜a13末端与光电倍增管a17的入孔相接；
37.窄带通滤波片a9工作区间：659-660nm，会提取90％的光信号，主要采集到的信号包含：2.7％的bes、27％的hbes、90％的fida和brem信号。
38.第二道滤波通道接入由入射透镜b4、组合衰减片7、窄带通滤波片b10、出射透镜b14相连组合的滤波系统，出射透镜b14末端与光电倍增管b18的入孔相接；
39.窄带通滤波片b10工作区间：658-659nm，会提取90％的光信号，组合衰减片7，阻带范围650-670nm，由10％、30％衰减片串联而成，主要得到2.7％的bes信号。
40.第三道滤波通道接入由入射透镜c5、衰减片8、窄带通滤波片c11、出射透镜c15相连组合的滤波系统，出射透镜c15末端与光电倍增管c19的入孔相接；
41.窄带通滤波片c11工作区间：660-661nm，会提取90％的光信号，衰减片8，阻带范围650-670nm，透过率30％，主要得到27％的hbes信号。
42.第四道滤波通道接入由入射透镜d6、窄带通滤波片d12、出射透镜d16相连组合的滤波系统，出射透镜d16末端与光电倍增管d20的入孔相接；
43.窄带通滤波片d12工作区间：661-662nm，主要得到90％的brem信号。
44.四个滤波系统的光电倍增管末端线分别接入21电流放大器和22数据采集分析系统，实现信号的放大、采集与处理。
45.透镜组1安装于磁约束聚变装置与光纤束2之间，对等离子体目标位置的光进行收集、成像。
46.如图1所示，对目标位置等离子体采用单点测量，通过光纤束2将等离子体发出的经透镜组1成像的光分别传输到4个滤波通道，分别获得fida、bes、hbes、brem谱信号，原始信号所在谱区与对应的强度见图2，图2中，从左至右分别为bes谱、fida谱、hbes谱、brem韧致辐射。
47.如图1和图3所示，从第一道光纤进入的光信号，通过窄带通滤波片a9(工作区间：659-660nm)后，还剩下2.7％的bes、27％的hbes、90％的fida和brem信号。其中，透镜主要对光进行平行、聚焦，窄带通滤波片会透过90％的信号。
48.第二道光纤进入的光信号，经过组合衰减片7(90％和70％的衰减)、窄带通滤波片b10(工作区间：658-659nm)后，bes信号强度为原来的2.7％。
49.第三道光纤进入的光信号，经过衰减片8(70％的衰减)、窄带通滤波片c11(90％的透过)(工作区间：660-661nm)后，hbes信号强度为原来的27％。
50.第四道光纤进入的光信号，经过窄带通滤波片d12(工作区间：661-662nm)后，brem信号强度为原来的90％。
51.如图1所示，4个滤波通道获得的信号分别进入21电流放大器，对弱信号进行增益和放大，最后，利用22数据采集分析系统对数据进行采集并进行差分处理：s
fida
＝s
1-s
2-s
3-s4，获得目标信号。
52.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在
不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
53.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。