HL_2A装置Nd_YAG激光汤姆逊散射多道测量系统
YAG脉冲激光器实验装置实验讲义
XGL-1型脉冲Nd:YAG激光器实验装置实验讲义V1.0天津市拓普仪器有限公司目录实验一 Nd3＋:YAG激光器的阈值与斜效率测量 (3)一、实验目的 (3)二、实验原理 (3)三、实验装置 (6)四、实验内容与步骤 (7)五、实验报告要求 (7)实验二 Nd3＋:YAG激光器的电光调Q、动静比测量、脉冲宽度测量实验 . 7一、实验目的： (8)二、实验原理 (8)三、实验装置 (10)四、实验内容与步骤 (10)五、实验报告要求 (11)实验三 Nd3＋:YAG激光器的倍频与相位匹配实验 (12)一、实验目的： (12)二、实验原理 (12)三、实验装置 (14)四、实验内容与步骤 (15)五、实验报告要求 (16)实验四 Nd3＋:YAG激光器的选模实验 (17)一、实验目的： (17)二、实验原理 (17)三、实验装置 (18)四、实验内容与步骤 (18)五、实验报告要求 (19)实验五 Nd3＋:YAG激光器的横模模式判别 (20)一、实验目的： (20)二、实验原理 (20)三、实验装置 (23)四、实验内容及步骤 (24)五、实验报告要求 (24)实验六 Nd3＋:YAG激光器的发散角测量 (25)一、实验目的： (25)二、实验原理 (25)三、实验装置 (27)四、实验内容与步骤 (27)五、实验报告要求 (28)实验七 Nd3＋:YAG激光器谐振腔长度对激光阈值、能量、模式、发散角等的影响 (29)一、实验目的 (29)二、实验原理 (29)三、实验装置 (31)四、实验内容与步骤 (31)五、实验报告要求 (31)实验一 Nd 3＋:YAG 激光器的阈值与斜效率测量一、实验目的1. 了解并掌握激光形成机理2. 了解激光阈值的概念，学会测量阈值3. 测量输入输出曲线及其斜效率的计算二、实验原理1. 普通光源的发光—受激吸收和自发辐射普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。
光学薄膜激光损伤及散射检测研究
1.2 激光损伤机理研究历史
早在六十年代初，随着调 Q 激光器的出现，激光诱导光学薄膜的激光损伤就 为人们察觉，七十年代初，随着高功率激光器的出现，科研人员意识到光学薄膜 本身的抗激光损伤能力已成为限制激光器发展的重要因素之一。 1978 年，W. Lee Smith 对光学材料的激光损伤进行了测量和分析，讨论了雪 崩电离和多光子吸收的物理过程[1]。 1981 年 Thomas W. Walker 等人总结了激光脉 冲对光学薄膜的损伤机理[2]。将光学薄膜的激光损伤机理归结为：雪崩电离、多光 子吸收、杂质诱导损伤等。他认为光学薄膜吸收激光能量后表面产生气化，气化 的原子产生初始电离形成初始自由电子，自由电子强烈吸收激光能量形成高能电 子，高能电子再去激发其它原子而产生更多的自由电子，自由电子按雪崩方式增 长，形成等离子体最终对薄膜产生破坏，这就是雪崩电离模型。当激光能量足够 强时，电子可能同时吸收几个光子而电离，这就是多光子模型。由于薄膜中的缺 陷引入了缺陷能级， 使得电子更容易电离， 因此杂质诱导损伤不可忽略， Thomas W. Walker 得到的杂质损伤理论的结果能比较好的解释激光损伤中的物理现象。由于 雪崩电离、多光子吸收、杂质模型都不能完全解释激光损伤的规律，而且不能得 到计算激光损伤阈值的公式， 1998 年 V. N. Strekalov 提出了原子吸收模型[3]， 得 到损伤阈值的估计公式，但是仍然不能完美地解决问题。国内外专家发表了不少 论文，研究了光学材料的体损伤和表面损伤以及薄膜的损伤，分析了损伤阈值同 激光波长、脉冲宽度、材料杂质情况等的关系[4,5,6,7,8]。在实验和理论方面都作了大 量的工作，得到了许多宝贵的实验数据和理论计算结果。到目前为止，对于激光
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重庆大学硕士学位论文
HL-2A装置YAG激光汤姆逊散射测量电子温度的初步结果
１ 实验 原 理
激光 在 等离子 体 中传播 时 ， 激起 电子或 离子 作受 迫振 动 ， 出次 级辐 射 。 自由 电子在 电磁 波辐 射 场 的作 将 发
用 下作受 迫振 动 ， 射 出次级 电磁 辐射 ， 成散 射波 的现 象 ， 为 汤姆 逊 散 射 。运 动 速 度 为 ，的 电 子 的散 射 辐 发 形 称 ，
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第２ Ｏ卷 第 ７期
２０ ０ ８年 ７月
强 激 光 与 粒 子 束
Ｈ Ｉ Ｈ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡ Ｓ Ｇ ＥＲ ＡＮ Ｄ ＰＡＲＴＩ ＣＬＥ ＢＥＡＭ Ｓ
Ｖ ｏ． Ｏ Ｎ Ｏ ７ １２ ， ．
Ｊ １ ２ ０ ｕ．， ０ ８
脉 冲 功 率 Ｎｄ Ｙ ： ＡＧ 激 光 光 源 发 出 的 １０ ４ｒ 的 激 光 能很 好 地 满 足 测 量 等 离 子 体 电子 散 射 光 的 要 求 ， 雪 崩 ６ ｉ ｍ 硅 光 电 二极 管 和 窄 带 干 涉 滤 波 片 组 成 的多 色 仪 的使 用 ， 大 提 高 了 散 射 光 的 测 量效 率 。数 据 处 理 方 法 采 用 按 测 大 量 误 差 进 行 权 重 分析 的 查 表 法 ， 高 了数 据处 理 的 速 度 。最 后 介 绍 了 各 种 放 电条 件 下 的单 空 间 点 电 子 温 度 的 提
ＡＰ Ｄ探测 器在 ６ Ｏ １０ ０ａ 范 围 内的量 子效 率 大于 ４ ， 以 用来 探 测 Ｎｄ Ｙ Ｏ ～ ６ ｍ Ｏ 可 ： ＡＧ 激光 器 的基 频 激 光 脉 冲
与等 离子体 相互 作用 产 生 的 散 射 光 。因 此 ， 中 国 环 流 器 ２号 Ａ（ －Ａ） 置 上 ， 们 也 研 制 了一 套 这 种 在 ＨＬ ２ 装 我
HL-2A-核工业西南物理研究院门诊部
测量散射系统的 光谱响应系数的 相对标定系统， 以实现电子温 度的绝对测量。
图为激光汤姆逊散射系统光路图。 调Q的YAG激光器,它由一级振荡级和三级放大级所组成。 激光波长：1064 nm 光束直径: 30 mm 发散角: <0.5mrad 脉冲宽度: ~ 10 ns 工作频率：1 Hz @ 6J , 10 Hz @ 4J 脉冲能量：E1064nm ~ 6000mj （1Hz） 脉冲个数：1 ~ 999 E1064nm ≥5000mj (2-5Hz) 放电延迟时间：50 ms～999 ms E1064nm ~ 4000mj (10Hz) 脉冲间隔时间：100 ms～1000 ms 激光模式：高斯 TEM00
Ip/kA
测量散射光谱在多色仪中的相对分布,就能确定待测等离子体的电子温 度。因此,需要相对地标定散射系统的光谱响应系数。在该图中,给出了 一个测量通道的光谱响应系数,以及经APD探测器和放大器后的电信号, 负极性的信号是为了和我们现有的CAMAC采集器ADC 2250L匹配。
分子束注入期间汤姆逊散射诊 断测得等离子体芯部区域电子 密度逐步增加 在2007年度的等离子体放电实验实验中，将利用N2的啦曼散射实验进行绝对标 定。并在去年单空间点实验的基础上，进行7空间点测量等离子体芯部和边缘 区域电子温度和密度。
五通道多色仪，经中性气体拉曼散射标定后可以开展等离子体电子密度的测量。
800 700 600
Response (A.U.)
500 400 300 200 100 0 900 950 1000 Wavelength (nm) 1050 1100
等离子体放电期间测得电子温 度的最大值为4.93KeV，其实 验参数为： 在偏滤器位形下 ECRH加热功率为1.57MW 等离子体电流Ip＝304kA 纵场强度Bt＝2.42T 电子线平均密度约为 1.5×1013cm-3
关于ITER计划专项国内配套研究
附件1：关于ITER计划专项国内配套研究2010年度项目申报指南和申报要求一、申报指南1．HL-2A高时空分辨等离子体诊断研究发展托卡马克装置上高时空分辨诊断系统，满足对高温等离子体的输运、高能粒子物理、芯部湍流等近堆芯等离子体物理的研究需要。
内容主要包括建立等离子体电流分布及磁扰动测量系统，即激光极化干涉仪(动态斯塔克效应测量仪)等；用于等离子体旋转及分布测量的微波多普勒反射仪、用于二维高时空分辨电子温度测量的成像汤姆逊散射和电子回旋辐射成像等。
2. HL-2A上的H-模研究优化托卡马克装置放电条件，实现在高等离子体参数下的稳定的H模放电，发展进行H模实验研究所必需的一系列关键技术，包括放电的集成控制、壁处理技术、先进的加料技术、台基结构的特殊测量技术和理论数值模拟等。
需研究解决的科学问题包括：L-H 模转换的物理机制，特别着重研究剪切流和带状流触发H模的作用，进一步加强H模阈值功率定标律的物理基础；决定输运垒结构(特别是输运垒宽度)的物理机制，确定ETB宽度的定标律；研究ELM演化动力学与能量损失机制，以及ELM的缓解技术；发展小—1—或无ELM的改善约束模式，保持约束改善因子基本不变的条件下，使ELM的能量损失减小。
3. HL-2A强流中性束加热关键技术研究研究离子源关键技术和工艺，优化和改进大功率正离子源的离子光学性能，研制多功能、大动态范围的离子源及中性束实验测试平台，研发中性束加热系统的强流离子源单元、中性化单元和高功率密度的量热测量单元等实验系统，最终完成中性束功率2兆瓦、脉冲宽度大于2秒的中性束加热系统研制和系统测试。
4. EAST先进偏滤器物理研究开展偏滤器边界理论模拟；开展先进位形条件下偏滤器边界等离子体行为、粒子及热流的产生机理和控制方法、杂质产生及偏滤器屏蔽研究；开展不同加料方式对偏滤器及中心等离子体的影响研究；开展在2MW/m2热负荷条件下边界再循环的机理和控制研究。
5. EAST低杂波电流驱动研究开展2兆瓦长脉冲低杂波的关键单元技术、低杂波对偏滤器等离子体高效的耦合、波在等离子体中的转播、高密度条件下有效电流驱动方法和机制、低杂波对约束改善的机制、波与等离子体作用的非线性等方面的研究。
【国家自然科学基金】_hl-2a装置_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140802
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
科研热词 推荐指数 hl-2a装置 2 高约束模 1 边缘局域模 1 粒子温度 1 等离子体旋转 1 第一壁 1 离子温度 1 电荷交换 1 环向 1 旋转速度 1 数值模拟 1 损伤 1 弹丸注入 1 失控 1 固定移相器 1 协同效应 1 剖面测量 1 光谱诊断 1 低杂波电流驱动系统 1 中断 1 vde 1 runaway electron, vde, halo current 1 nbi加热 1 hl-2a等离子体 1 hl-2a托卡马克 1 hfss优化仿真 1 3-db功率分配器 1
2013年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2词 电荷交换复合光谱 离子温度 环向旋转速度 最小二乘法 时间分布 托卡马克 等离子体诊断 高温等离子体诊断 超声分子束注入 聚变 粒子轨道 空间分布 电漂移 湍流扰动 旋转速度 数据拟合 微波反射成像 强场侧注入 弹丸 弥散斑 加料效率 准光结构 光学系统设计 中子谱仪 l-h转换
科研热词 推荐指数 托卡马克 2 预测 1 远红外激光干涉仪 1 软x射线脉冲高度分析 1 超声分子束加料实验 1 超声分子束 1 误差场概率密度分布 1 误差场 1 能量约束数据库 1 能量约束定标律 1 统计分析系统(sas) 1 线圈安装误差 1 等离子体约束和输运 1 神经网络 1 硅漂移探测器 1 电流驱动 1 电子速率分布 1 电子温度分布 1 电子回旋波 1 消融和穿透 1 注入位置 1 放电破裂 1 探测器 1 大功率辅助加热 1 双色滤波器 1 加料效率 1 偏滤器 1 低杂波电流驱动系统(lhcd) 1 tokamak等离子体 1 hl-2a 1 hfss优化仿真 1 ecrh 1 3-db功率分配器 1
HT-7 Nd：YAG激光汤姆逊散射光学系统分析
１ 激 光 系统 及 光 路
ＨＴ ７激光 汤姆 逊散 射光 学系 统采 用 Ｎｄ ＹＡＧ脉 冲激光 器 ， 主要 参数 见表 １ 一 ： 其 。
衰 １ Ｎ ： ＡＧ激 光 器 工 作 参 数 ｄＹ
Ｔａ ｌ Ｔ ｃ ｎ ｃ ｌｐ ｒ ｍｅ ｅ ｓ ｏ ｈ ｂｅ１ ｅ ｈ ｉａ ａ ａ ｔ ｒ ｆｔ ｅ Ｎｄ： ＹＡＧ ａ ｅ ｌｓｒ
Ｐ ｉ ｓａ 。 ｂ ｎ ｕ ｅ ｔｃ ｂｓ ｒ ｉ ｇｔ ｂ
—
Ｈｅ Ｎｅｌ ｓ ｒ Ｎ ｄ ＹＡＧ ｓ ｒ — ａ ｅ ： ｌ ｅ ａ
扰， 主要 采 取 以下措 施 降低 杂散 光 ：
１ ．激光 出射 窗 口 以布儒 斯 特 角放 置 。实 验 安 排要 求 激光 进入 等 离 子 体后 在 托 卡 马 克 纵 场 切 线 方 向上 偏
１ｅ ｖ时其透过率可达到 １ ％； ｋ ０ 汤姆逊散射信号非常微弱 ， 等离 子体 电子密度 为 １ ０ ｍ。 每道信号 仅有 ×１ ／ 时
几 百 到上 千 个 光 子 ； 离 子体 电 子 温 度 在 ０ ３ ５ ０ｋ Ｖ 范 围 内 时 ， 子 量 子 统 计 涨 落 引 起 的 电 子 温 度 测 量 误 等 ． ～ ． ｅ 光
振 。 光 器 输 出 光 束 沿 水 平 方 向 传 播 并 在 水 平 方 向偏 激
Ｆｉ．１ Ｓｃ ｅ ｔｃｄ ａ ｒ ｍ ｇ ｈ ｍａ ｉ ｉ ｇ ａ ｏｆＮｄ： ＹＡＧ ｏ ｏ ｃ ｔｅ ｉ ｇ Ｔｈ ｍｓ ｎ ｓ ａ ｔ ｒｎ
图 １ ＨＴ一 ： ７ＮｄＹＡＧ 激 光 汤 姆 逊 散 射 系 统 示 意 图
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第 １ ８卷
第 ６期
强 激 光 与 粒 子 束
ＨＩ ＧＨ Ｐ ＯＷ ＥＲ ＬＡＳ ＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩ ＣＬＥ ＢＥＡＭ Ｓ
HL-2A激光汤姆逊散射试验方案
CNIC-01729SWIP-0174HL-2A激光汤姆逊散射实验方案PLAN FOR THOMSON SCATTERING EXPERIMENTON THE HL-2A TOKAMAK(In Chinese)中国核情报中心China Nuclear Information Centre32CNIC-01729SWIP-0174HL-2A激光汤姆逊散射实验方案黄渊施佩兰冯洁（核工业西南物理研究院，成都，610041）摘要简要描述了激光汤姆逊散射测量等离子体电子温度的基本原理，较详细阐述了用于HL-2A装置等离子体电子温度时空分布测量的汤姆逊散射系统（TLSS）的设计构思和发展规划。
关键词：激光汤姆逊散射 Nd激光器滤光片分光器硅雪崩二极管33Plan for Thomson Scattering Experimenton the HL-2A Tokamak(In Chinese)HUANG Yuan SHI Peilan FENG Jie(Southwestern Institute of Physics, Chengdu, 610041)ABSTRACTThe Thomson scattering method to measure plasma electron temperature is simply described. The arrangement and development plan of Thomson scattering system on HL-2A Tokamak are presented.Key words: Plan for Thomson scattering, Nd laser, Filter optical splitter, Si-APD3435前 言自由电子在电磁波辐射场的作用下做受迫振动，从而发射出次级电磁辐射，形成散射波的现象，称为汤姆逊散射。
运动电子的散射辐射产生多普勒频移，其散射频谱取决于散射矢量K 方向上的速度分布即v K ⋅=∆ω，其散射截面非常小，为2252e S cm 1065.638−×=π=r σ（ 其中53e 02e 1082.24−×=π=cm e r εÅ，为电子经典半径），在典型的磁约束等离子体的汤姆逊散射实验条件下，一个待测体积内的电子散射总功率为013s 10P P −≈（入射激光功率）。
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第21卷第3期强激光与粒子束Vo l.21,No.3 2009年3月H IGH POWER LASER AND PART ICLE BEAMS M ar.,2009 文章编号: 1001 4322(2009)03 0359 06HL 2A装置Nd:YAG激光汤姆逊散射多道测量系统*慈佳祥1,2, 黄 渊2, 唐昌建1, 冯 震2, 施佩兰2, 刘春华2, 邱 银2(1.四川大学物理科学与技术学院,成都610064; 2.核工业西南物理研究院,成都610041)摘 要: 利用Nd:Y A G激光汤姆逊散射多道测量系统对等离子体多空间点的电子温度和密度进行了测量。
用标准光源和电扫描单色仪构成的标定系统对散射光谱的响应系数进行了标定。
给出了等离子体中心附近6空间点的温度和密度的测量结果,时间分辨率为100ms,空间分辨率约为2.2cm。
对实验结果的不确定度进行了估计,为-12%~12%。
实验结果证明:系统可测量等离子体温度的空间范围为-35~-3cm,实验数据稳定可靠。
关键词: 汤姆逊散射; N d:YA G激光器; 电子温度; 硅雪崩光二极管; 光谱标定; 电子回旋加热中图分类号: O463.1 文献标志码: A激光汤姆逊散射[1]是核聚变研究中测量等离子体电子温度的一项重要诊断方法,它直接、绝对测量等离子体的电子温度,准确可靠,已广泛应用于托卡马克装置。
如果再通过瑞利散射或拉曼散射绝对标定,还可以绝对测量等离子体的电子密度。
国际上,一些主要的大中型核聚变研究装置(如JT 60U,M AST,ASDEX U, Tor e Supra和D D等)都配备了针对不同研究对象的激光汤姆逊散射系统,不仅获得了等离子体芯部区域电子温度和电子密度分布的信息,同时也拓展了该技术用于研究边缘等离子体和偏滤器等离子体的物理过程[2 6]。
我们在H L 2A装置上建立了一套Nd:YAG激光汤姆逊散射系统,核心器件是N d:YAG激光器、干涉滤光片光谱仪和硅雪崩光二极管(APD)探测器组成的散射仪,其测量电子温度和密度的时间分辨率为100m s,空间分辨率约3cm。
多道激光汤姆逊系统是基于装置上单空间点的激光散射系统[7]。
本文将测量空间点由原来的单点增加到6点,可以扫描的等离子体区域为-35~-3cm;测量了等离子芯部附近区域的电子温度;定性计算出散射强度与电子密度的比例系数;对实验结果的不确定度进行了估算。
1 实验原理激光在等离子体中传播时,将激起电子或离子作受迫振动,从而发出次级辐射。
自由电子在电磁波辐射场的作用下作受迫振动,发射出次级电磁辐射,形成散射波的现象,称为汤姆逊散射[1]。
运动电子的散射辐射产生多普勒频移,其频谱大小取决于电子速度v在散射差分矢量 K方向上的分量,即 = K v。
其散射截面很小。
如果在测量位置处,光束截面积为S,长度为L,则该散射体积内的电子总数为N e!LSn e(1)式中:n e表示该散射体的平均体电子数密度。
该散射体积内的每一个电子都会参与散射过程,向光接收系统发出散射光。
对于相干汤姆逊散射,各个电子是完全相关的,散射体向接收系统辐射的散射光总功率为单个电子的N2e倍;对于非相干汤姆逊散射,即汤姆逊散射,电子的散射光之间没有相关性,总的散射光功率为单个电子散射光功率的N e倍。
这种相关性可以用散射参数表示为=1K!D =1.08∀10-4!0sin(∀/2)n eT e(2)式中:K=4#sin(∀/2)/!0,!0为入射激光的波长;∀为散射角;!D为德拜长度;T e为电子温度。
当 1时,称为相关汤姆逊散射(CT S),此时散射频谱反应出与离子运动有关的信息,可用于测量离子温度、快离子能量分布、湍流以及等离子体波动等;当1时,散射频谱完全反映了电子无规则热运动的特征,称为非相干汤姆逊散射,*收稿日期:2008 09 11; 修订日期:2009 01 07基金项目:国家自然科学基金项目(60871063)作者简介:慈佳祥(1982#),男,硕士研究生,从事高温等离子体物理激光诊断研究;cjx@sw 。
简称汤姆逊散射。
接收位置R 处的散射功率与散射体积内的电子总数N e 成正比,即N e 个自由电子在R 处产生的散射功率的简单叠加。
H L 2A 托卡马克等离子体的参数满足 1,符合非相干汤姆逊散射条件。
利用干涉滤光片光谱仪作为分光元件,硅雪崩光二极管为探测器,每一个空间位置的散射光谱由5个光探测通道完成测量和A/D 转换后,用查表法可求得电子温度T e 。
2激光多道汤姆逊散射系统的设计2.1 激光入射、出射光路及准直Fig.1 Layou t of the H L 2A las er Th om son scattering system 图1 HL 2A 激光汤姆逊散射系统布局H L 2A 激光多道汤姆逊散射系统[7]布局如图1所示。
在该系统中,选择可连续脉冲工作的Nd:YA G 激光器的基频激光作为光源,激光束经过2块45∃反射镜以及1块焦距为5m的聚焦透镜从装置下窗口准直进入,由装置上窗口射出,在与入射激光成90∃方向上接收电子的散射光信号。
Nd:YAG 激光器输出水平偏振激光脉冲,波长为1064nm ,脉冲宽度约10ns,能量可达到4J,脉冲重复频率为10H z,时间分辨率100ms,激光束直径约为30mm 。
由于Nd:YA G激光器产生的激光脉冲是近红外、不可见的,因此选择扩束、准直的绿光半导体激光器作为参考光束来调试1064nm 激光入射、出射和散射光接受光路,其中心波长530nm ,光束直径为30mm ;同时使用了1064nm/530nm 激光分束镜,它与主光路成45∃,对1064nm 激光束高透射,对530nm 参考激光束高反射。
通过分光镜将半导体扩束激光耦合进激光入射光路,并调节它使之与1064nm 激光束同心。
由于入射光路很长,应尽可能保证光斑处于入射窗口的中心,同时也处于出射窗口的中心。
装置偏滤器咙口的通道很窄,大约只有20m m,要反复调试光路使激光束与装置咙口部位不发生擦挂。
在调节过程中,使用激光扫平仪检测并调节光束的水平性。
从安全角度出发,在布儒斯特窗口附近还安装了一台CCD 摄像机,用以监测激光束的准直状况及激光入射光路的可靠性,避免激光与装置器壁的擦挂,以确保装置的安全。
在装置每天放电前,可以将CCD 摄像机移入光路中,通过显示器直接观察绿光参考光束,以监测激光入射光路的状况,如有问题及时进行校准和调整,完成后将CCD 摄像机移出光路。
2.2 散射光接收系统激光束在真空室中平面聚焦后的直径小于4mm,在散射系统的观测区域(-40~20cm)的范围内可以检测到等离子体的散射光。
因此,专门设计和制造了一个组合透镜(接受透镜)来聚焦测量位置处电子的散射光。
该组合透镜具有很大的接收立体角,并在700~1100nm 波长范围内,色差、像差和球差均为0,像面为平面。
接收透镜将散射光聚焦到长度为21m 光纤束的端面上,再经由光纤束将散射光送到多色光谱仪。
组合透镜的表面镀有针对750~1100nm 波段光的增透膜,其焦距为328m m,数值孔径为0.05,放大倍数为0.25,固定在平移台上。
平移台可以在装有两水平导轨的底座上水平移动,这样就可以方便地靠近或者远离H L 2A 装Fig.2 Sketch of incid ent ends of fiber bu ndles 图2 传输光纤的入射端头示意图置。
底座上标注有刻度,可以准确知道每次移动后平移台所处的位置。
光纤束有2种入射端头:分离式(1组光纤束1个端头,光纤束端面尺寸6m m ∀1m m)和组合式(如图2所示,5组光纤束1个端头,每个光纤束的端面尺寸4mm ∀1.5mm,光纤束之间间距为1.5mm )。
本文采用1个分离式和1个组合式的入射端头来实现多道测量。
将入射端头固定在光纤架上,使入射端面处于接受透镜的焦平面,光纤将接收到的散射光信号传递给多色光谱仪。
激光汤姆逊散射系统测量的空间范围是-35~-3cm,其中单根光纤束固定在中平面偏下z =-3360强激光与粒子束第21卷cm(H L 2A 装置真空室中平面位置处z =0)处,5根光纤束固定在一起,可以作为整体竖直地上下移动来测量等离子体不同位置的电子温度分布,其相邻两个光纤端面的中心距离为5.5m m,由于接收透镜的放大倍数为0.25,所以可以测得等离子体芯部的电子温度空间分辨率为2.2cm 。
2.3 干涉滤光片分光多色仪由雪崩光二极管(APD)探测器和窄带干涉滤波片构成的多色光谱仪是这套散射系统的核心部分之一。
改进后的多色光谱仪具有高透过率、易于组装、光谱通道带宽可变、小巧精致以及对1064nm 处的激光波长高度反射的特点。
传输光纤出射端散射信号经过准直透镜和中继透镜后传输到干涉滤波片上,滤波片对一定波长范围的光高度透射而对波长范围外的光高度反射。
透射的散射信号经聚焦透镜聚焦到探测器的接收端面上,而被滤波片反射的光信号再经过中继透镜传输到下一个光谱通道。
实验采用5通道多色光谱仪结构[6 7],使用了5种类型的窄带干涉滤波片,其中心波长带宽分别为:1050nm /20nm,1030nm/20nm,1000nm/40nm ,940nm/80nm ,840nm /120nm 。
干涉滤光片的参数:直径34mm,厚度3mm ,在700~1200nm 光谱范围内,带内峰值透过率不小于80%,激光波长(1064nm )透过率小于1%,带外峰值反射率不小于95%,入射角小于40∃。
其中,中心波长为1050nm 的通道用来探测和接收绝对标定激光汤姆逊散射系统的拉曼散射[8 9]的散射光。
在没有等离子体存在的情况下,几乎探测不到杂散光信号,这说明多色光谱仪的每一个探测通道对1064nm 处的光透过率都很小。
带有前置放大器的A PD C30956E 探测器探测和接收经过窄带滤波片后的散射光,并将光信号转化为电信号,其带宽为50M H z,感光面直径3m m,其上光斑直径约2.5mm,入射角小于65∃,在400~1100nm 光谱段范围内具有很高的量子效率,在900nm 处的量子效率为85%,在1050nm 处为40%。
2.4 实验数据的采集系统H L 2A 托卡马克装置多道激光汤姆逊散射采集系统采用标准CAM AC 数据采集系统。
如图3所示,CAM AC 数据采集系统由CAMA C 机箱、CAM AC 控制器、触发与控制电路和计算机组成。
其核心部分为CAM AC 和NIM (Nuclear Instr um ent M edule)。
本文在原单空间点散射系统[7]ADC 转换器LeCroy 2250L (12通道输入,9bytes/s)基础上又增加了3个新的ADC 转换器CM C080(16通道输入,11by tes/s),数据传输速率达到30M by tes/s 。