一种用于测量磁约束聚变装置主离子温度的光谱诊断系统的制作方法

1.本发明涉及磁约束聚变装置主离子温度测量领域，具体涉及一种用于测量磁约束聚变装置主离子温度的光谱诊断系统。


背景技术：

2.对于磁约束聚变装置的研究而言，芯部等离子体离子温度是一个十分关键的物理量，包括离子温度剖面和离子温度扰动量，其中离子温度剖面与芯部热输运直接相关，而温度扰动测量对湍流输运的研究至关重要。目前的研究表明，等离子体中的微观随机扰动——湍流引起的输运对其约束性能有着决定性的影响。它的存在使得等离子体粒子输运和热输运水平远远高于新经典输运理论的预期，是导致约束水平难以提升的主要原因。
3.目前现有电荷复合交换谱对杂质离子温度进行测量来近似获得主离子温度剖面，实验研究表明，磁约束聚变装置的等离子体内杂质离子和主离子温度并不是完全相同的，尤其是在台基区和分界面附近可能存在显著差异。因此，使用杂质离子温度近似为主离子温度可能给热输运研究带来较大误差。


技术实现要素：

4.为解决现有杂质离子温度近似为主离子温度带来的误差问题以及无法精确进行主离子温度扰动测量问题，本发明提供一种用于测量磁约束聚变装置主离子温度的光谱诊断系统，基于中性束的dα可见光谱(中心波长为656.1nm)，通过测量直接电荷复合交换(dcx)和光晕(halo)等过程导致的dα谱线展宽，从而直接获得当地等离子体的离子温度信息。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.一种用于测量磁约束聚变装置主离子温度的光谱诊断系统，包括：
7.收光光纤，连接置于真空室内的发出等离子体的辐射光线的镜头组，用于将等离子体的辐射光线传输到分光系统中，且所述收光光纤与所述分光系统连接的一端由若干组子收光光纤组成，每组所述子收光光纤沿y轴设有n条；
8.分光系统，包括腔体，所述腔体上设有入射狭缝，所述腔体内设置有穿过所述入射狭缝沿辐射光线的传输方向依次排布的准直镜头、分光光栅、聚焦镜头、掩膜版和成像模块，所述入射狭缝由若干条弯曲狭缝沿x轴方向并列组成，且若干组所述子收光光纤与若干所述弯曲狭缝对应设置；
9.成像光纤，与所述收光光纤的材质相同，其中一端设置在所述分光系统的成像面处，另一端连接在探测器上，用于将成像数据传输到所述探测器中；所述成像光纤与所述成像模块连接的一端包括若干组与所述弯曲狭缝的像对应的布局相同的子成像光纤，每组所述子成像光纤由m*n条光纤组成，其中，m、n均为正整数，m为光纤在x轴上的数量，y为光纤在y轴上的数量，且沿y轴上，子成像光纤中的光纤与子收光光纤中的光纤一一对应。
10.本技术方案中，将收光光纤收集到的辐射光线通过若干条所述弯曲狭缝进入到准
直镜头变成平行光，并由所述分光光栅进行衍射分光，再通过所述聚焦镜头会聚到所述掩模版处进行超窄带滤波，最后通过成像模块进行聚焦成像；使用弯曲狭缝是为了修正直狭缝在光路系统中的成像弯曲，使得最终狭缝的像沿着y方向为直线，以降低后续成像光纤布局的复杂度；掩模版用于对辐射光线测量波段内的干扰光进行超窄带滤波，沿着x轴方向将不同光纤对应不同波长的光，对其光强进行测量可得到谱线的展宽信息，从而得到离子温度信息；而沿着y轴方向，不同的收光光纤可以对应于等离子体中不同的空间位置，从而可以得到等离子体离子温度剖面。
11.作为优化，所述分光系统还包括窄带滤波片，所述窄带滤波片位于所述准直镜头和分光光栅之间，且所述入射狭缝、准直镜头、窄带滤波片、分光光栅、聚焦镜头、掩膜版和成像模块的中心位于同一水平面上。
12.这样，使用窄带滤波片滤除所需波段之外的光，可以更大限度地避免谱线重叠的发生
13.作为优化，所述收光光纤包括收光端和狭缝端，所述收光端设置在所述真空室内，所述狭缝端与所述分光系统连接，所述狭缝端的光纤设有若干组，每组所述狭缝端的光纤分别沿对应的所述弯曲狭缝的弯曲弧度进行排布。
14.作为优化，所述腔体上设有与所述狭缝端匹配的光纤接口，所述入射狭缝位于所述光纤接口内。
15.这样，通过光纤接口对入射狭缝进行保护，并用于精确固定收光光纤与入射狭缝的相对位置。
16.作为优化，所述弯曲狭缝设有3条，所述弯曲狭缝沿着y方向长度为16mm，沿着x方向长度为0.3mm，三个所述弯曲狭缝的中心线沿着x方向的距离为6.5mm，每个所述弯曲狭缝以中心的点为原点，从左至右三个所述弯曲狭缝的中线的弯曲弧度分别由如下公式：
17.x1＝0.0061y
12-6
×
10-17y1-6
×
10-5
；
18.x2＝0.0064y
22-6
×
10-17y2-7
×
10-5
；
19.x3＝0.0067y
32
1
×
10-16y3-8
×
10-5
；
20.其中，y1、y2、y3分别为3条弯曲狭缝中线y轴方向的坐标，x分别为3条弯曲狭缝中线x轴方向的坐标。
21.作为优化，所述腔体的内部通过了发黑和消光螺纹处理。
22.这样，为腔体的内部的光学元件提供避光、低杂散光的工作环境。
23.作为优化，所述分光光栅为体相位全息光栅，所述分光光栅的刻线密度为2700g/mm，所述分光光栅的长宽高为200mm
×
130mm
×
20mm，其中，所述分光光栅的刻线方向平行于所述分光光栅的宽度方向。
24.这样，将分光光栅设置为体相位全息光栅(vph光栅)，通过光栅之后不同波长的光以不同的角度入射到聚焦镜头中，针对测量波段进行优化以达到更高的衍射效率。
25.作为优化，所述窄带滤波片的通带为a
±
2nm，所述掩膜版在若干所述弯曲狭缝的成像面对应于a
±
0.1nm的位置进行遮挡，其中，a为辐射光线的中心波长。
26.这样，其他波段的光线能够正常通过，通过率可达99％，从而达到超窄带滤波的目的。
27.作为优化，所述成像模块由两个ef35mm f/2l is usm镜头反接组成。
28.作为优化，所述窄带滤波片为圆形熔融石英带通滤波片。
29.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
30.1.本发明使用vph透射式光栅，其通过凝胶层的折射率周期性变化对入射光进行调制分光，衍射效率达到75％以上，而常规刻线光栅衍射效率平均只有30％左右；
31.2.本发明通过光纤输入输出，布局灵活，前端的收光光纤作为输入光纤，可与通用收光镜头匹配，沿着y轴不同光纤可收集等离子体不同位置的光线，以实现离子温度的剖面测量；后端的光纤作为成像光纤可与多种探测器匹配使用，使用ccd、高速相机等可实现高光谱分辨率测量，使用apd、ppd等探测器则可以实现高时间分辨率测量，实际使用中可根据研究需求灵活选择。
32.3.本发明的三个弯曲狭缝的设计，可以实现三倍于单狭缝的通光量，从而实现更多的空间通道数；而弯曲狭缝能校正成像弯曲，极大简化成像光纤的布局，减小测量结果的误差。
33.4.本发明中的掩模版，针对磁约束聚变装置氘离子辐射谱线需要进行超窄带滤波(656.1
±
0.1nm)，使用常规超窄带滤波片会对其它波段的光强产生较大影响，而使用掩模版滤波能够做到滤波95％以上的同时，其它波段通过率达到99％以上。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
35.图1为本发明所述的一种用于测量磁约束聚变装置主离子温度的光谱诊断系统的结构示意图；
36.图2为图1的俯视图；
37.图3为本发明所述的一种用于测量磁约束聚变装置主离子温度的光谱诊断系统的收光光纤的结构示意图。
38.附图中标记及对应的零部件名称：
39.1-收光端；2-狭缝端；3-收光光纤；4-入射狭缝；5-准直镜头；6-窄带滤波片；7-光栅；8-聚焦镜头；9-掩模版；10-成像模块；11-分光系统腔体；12-成像光纤。
具体实施方式
40.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
41.实施例
42.在具体介绍之前，本实施例以中性束的dα可见光谱为等离子体辐射光线作为举例。
43.如图1和图2所示，使用时，等离子体辐射的dα谱线经过收光光纤，进入分光系统，经过准直、滤波、分光、聚焦后成像到成像光纤处，最终由成像光纤连接到所需的探测器中
进行成像。
44.具体的，本发明公开了一种用于测量磁约束聚变装置主离子温度的光谱诊断系统，包括：
45.收光光纤3，连接置于真空室内的发出等离子体的辐射光线的镜头组，用于将等离子体的辐射光线传输到分光系统中，且所述收光光纤3与所述分光系统连接的一端由若干组子收光光纤组成，每组所述子收光光纤沿y轴设有n条；
46.分光系统，包括腔体11，所述腔体11上设有入射狭缝4，所述腔体11内设置有穿过所述入射狭缝4沿辐射光线的传输方向依次排布的准直镜头5、分光光栅7、聚焦镜头8、掩膜版9和成像模块10，所述入射狭缝4由若干条弯曲狭缝沿x轴方向并列组成，且若干组所述子收光光纤3与若干所述弯曲狭缝对应设置；
47.成像光纤12，与所述收光光纤3的材质相同，其中一端设置在所述分光系统的成像面处，另一端连接在探测器上，用于将成像数据传输到所述探测器中；所述成像光纤12与所述成像模块10连接的一端包括若干组与所述弯曲狭缝的像对应的布局相同的子成像光纤，每组所述子成像光纤由m*n条光纤组成，其中，m、n均为正整数，m为光纤在x轴上的数量，y为光纤在y轴上的数量。
48.在本实施例中，m为20，n为36，弯曲狭缝有3条，而x、y轴的方向，如图3所示，后续的内容，均围绕前面的参数进行描述。
49.本技术方案中，将收光光纤收集到的辐射光线通过若干条所述弯曲狭缝进入到准直镜头变成平行光，并由所述分光光栅进行衍射分光，再通过所述聚焦镜头会聚到所述掩模版处进行超窄带滤波，最后通过成像模块进行聚焦成像；使用弯曲狭缝是为了修正直狭缝在光路系统中的成像弯曲，使得最终狭缝的像沿着y方向为直线，以降低后续成像光纤布局的复杂度；掩模版用于对辐射光线测量波段内的干扰光进行超窄带滤波，沿着x轴方向将不同光纤对应不同波长的光，对其光强进行测量可得到谱线的展宽信息，从而得到离子温度信息；而沿着y轴方向，不同的入射光纤可以对应于等离子体中不同的空间位置，从而可以得到等离子体离子温度剖面。
50.本实施例中，所述分光系统还包括窄带滤波片6，所述窄带滤波片6位于所述准直镜头5和分光光栅7之间，且所述入射狭缝4、准直镜头5、窄带滤波片6、分光光栅7、聚焦镜头8、掩膜版9和成像模块10的中心位于同一水平面上。
51.这样，使用窄带滤波片滤除所需波段之外的光，可以更大限度地避免谱线重叠的发生。
52.接下来，具体介绍系统中的每个部件。
53.如图3所示，所述收光光纤3包括收光端1(图3中的左端)和狭缝端2(图3中的右端)，同时，收光端和狭缝端的端面都镀增透膜以提高透过率。所述收光端1设置在所述真空室内，所述狭缝端2与所述分光系统连接，所述狭缝端2的光纤设有若干组，每组所述狭缝端2的光纤分别沿对应的所述弯曲狭缝的弯曲弧度进行排布。
54.具体的，收光光纤和成像光纤所使用的光纤为石英光纤，内径为400μm，外径为440μm，收光光纤共108根。收光端1每4根光纤为一组，2
×
2排布；在狭缝端2，光纤分为3组，每组36根，沿着分光系统的狭缝的弯曲弧度进行排布，由铝制接口进行保护并与分光系统的前端进行匹配。
55.分光系统的腔体上设有与所述狭缝端匹配的光纤接口，腔体的内部容纳分光系统所需部件，所述入射狭缝位于所述光纤接口内。这样，通过光纤接口对入射狭缝进行保护，并用于精确固定收光光纤与入射狭缝的相对位置。
56.而腔体内部需要进行发黑和消光螺纹处理，为光学元件提供避光、低杂散光的工作环境。光纤接口位于分光系统腔体入射端的端部，与收光光纤狭缝端匹配，用于精确固定收光光纤与入射狭缝的相对位置。
57.入射狭缝4为三个弯曲狭缝，使用弯曲狭缝是为了修正直狭缝在光路系统中的成像弯曲，使得最终狭缝的像沿着y方向为直线，以降低后续成像光纤布局的复杂度。每个弯曲狭缝的弯曲弧度不同，由其在光路系统中所处的位置决定。在诊断系统覆盖波段较窄的前提下，为增加入射光线的总强度使用三狭缝的设计方案，由此可以实现三倍于单狭缝设计的诊断通道数。为了避免三个狭缝在成像面上的谱线发生重叠，三个狭缝在水平方向上需要保持一定的距离，此外，使用窄带滤波片6滤除所需波段之外的光，可以更大限度地避免谱线重叠的发生。
58.作为一种具体实施方式，所述弯曲狭缝设有3条，弯曲狭缝沿着y方向长度为16mm，沿着x方向长度为0.3mm，三个弯曲狭缝的中心线沿着x方向的距离为6.5mm。每一个弯曲狭缝以中心的点为原点，根据图3所示的坐标系方向，从左到右三个弯曲狭缝的中线的弯曲弧度分别由如下公式：
59.x1＝0.0061y
12-6
×
10-17y1-6
×
10-5
；
60.x2＝0.0064y
22-6
×
10-17y2-7
×
10-5
；
61.x3＝0.0067y
32
1
×
10-16y3-8
×
10-5
；
62.其中，y1、y2、y3分别为3条弯曲狭缝中线y轴方向的坐标，x分别为3条弯曲狭缝中线x轴方向的坐标。
63.本实施例中，所述分光光栅为体相位全息光栅，所述分光光栅的刻线密度为2700g/mm，所述分光光栅的长宽高为200mm
×
130mm
×
20mm，其中，所述分光光栅的刻线方向平行于所述分光光栅的宽度方向，vph光栅在所需波段的衍射效率达到75％以上，极大地提高了分光系统的通光效率。
64.这样，将分光光栅设置为体相位全息光栅(vph光栅)，通过光栅之后不同波长的光以不同的角度入射到聚焦镜头中，针对测量波段进行优化以达到更高的衍射效率。
65.本发明中的诊断系统的主要技术指标为：辐射光线的波段范围为654.6nm-657.6nm，在使用波段内光谱分辨率为0.2nm，物方数值孔径0.26，时间分辨率可达到10khz以上(本光学系统的时间分辨率由最终达到探测器的光强决定，通过本发明的光学器件的选取(如使用高衍射效率的vph光栅)以及本发明的合理的光路布置等来实现时间分辨率达到10khz以上，是整体优化获得的效果。通过本发明的诊断系统得到的时间分辨率明显高于现有的基于杂质离子温度测量的方式得到的时间分辨率(0.1-1khz))。
66.三个弯曲狭缝作为分光系统的物面，光线经过狭缝入射到准直镜头5，由准直镜头准直后的平行光经过窄带滤波片6，滤除不需要的波段后入射到分光光栅7中，分光光栅为体相位全息光栅(vph光栅)，通过光栅之后不同波长的光以不同的角度入射到聚焦镜头8中，被镜头聚焦到其成像面处的掩模版9上，掩模版的作用是滤除磁约束聚变装置边缘冷等离子体产生的带宽很窄但幅值很高的dα谱线，掩模版在三个狭缝的成像面对应于656.1
±
0.1nm的位置进行遮挡，而其它波段的光线能够正常通过，通过率可达99％，从而达到超窄带滤波的目的，其中，656.1nm为辐射光线的中心波长。之后，光线再经过成像模块进行聚焦成像。
67.本实施例中，准直镜头和聚焦镜头均采用尼克尔af-s 300mm f/2.8g ed vr ii超长定焦镜头，通光孔径约为107mm；窄带滤波片为圆形熔融石英带通滤波片，其直径为120mm，通带为656.1
±
2nm，平均透过率为92.5％，阻带截止深度为od4，要求光线垂直入射，因此将其布置在准直镜头之后；成像模块为两个ef35mm f/2l is usm镜头反接组成。
68.成像光纤，与成像模块连接的一端分为三组布局相同的子成像光纤，每组子成像光纤分别与一个入射狭缝的像对应，具体的，每一组子成像光纤由20
×
36根光纤组成，其中，每组沿x轴方向的20根光纤中分别传输不同波长的光，每组子成像光纤沿y轴方向的36根光纤与对应的狭缝端的36根光纤一一对应。成像光纤中每一根光纤的尺寸参数与收光光纤的狭缝端的光纤相同。如此设计使得，沿x轴方向，将不同光纤对应不同波长的光，通过探测器测量得到不同波长的光强，获得相应的光谱，光谱的半高宽即为谱线展宽，将谱线展宽代入下列公式，可以得到离子温度信息；而沿y轴方向，不同的狭缝端的光纤可以对应于等离子体中不同的空间位置，从而可以得到等离子体离子温度剖面。
[0069][0070]
其中，kt是以能量形式表达的离子温度，λ0为中心波长656.1nm，δλd即为诊断测量到的展宽，m为离子质量，c为真空中光速。
[0071]
当然，中心波长为656.1nm只是其中一个实施例，辐射光线的中心波长还可以根据辐射光线的波段范围制定为其他数值。
[0072]
成像光纤的另一端根据所使用探测器类型布局，在此无须进行限定。
[0073]
本发明用于进行磁约束聚变装置等离子体离子温度诊断的过程如下：dα辐射由入射光纤传输经过入射狭缝，再经过准直镜头准直、窄带滤波片滤波后，由分光光栅进行分光，之后由聚焦镜头聚焦到掩模版上，经过掩模版后冷等离子体的辐射被滤除，最后由成像模块聚焦到成像面处的成像光纤上。成像光纤可以根据需要灵活对接到多种不同类型的探测器中。本实施例可分别使用ccd、cmos高速相机、雪崩光电二极管(apd)、pin型光电二极管(ppd)等不同类型的探测器进行探测成像。
[0074]
本发明使用三弯曲狭缝、vph光栅、多光纤并道传输设计，提高入射信号总强度，增大光线透过率；使用光纤进行输入、输出连接，可以适配通用收光镜头和探测器，结构简单，布局灵活。综合而言本发明实现对dα信号的高通量传输和分光，进而实现高时间分辨能力，最大程度地满足对磁约束聚变装置等离子体主离子温度剖面和扰动量的测量需求。
[0075]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。