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 06网友世界
HL 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
悟本堂
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
=1
K!D =
1.08∀10-4!0
sin(∀/2)
再生油
n e
T 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 ip.ac。
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100
ms，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，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 干涉滤光片分光多仪
由雪崩光二极管(APD)探测器和窄带干涉滤波片构成的多光谱仪是这套散射系统的核心部分之一。改进后的多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 。来自多仪A PD 的散射信号经过放大器输入到快速选通积
分器LeCroy 2250L(或CM C080)模块的输入端，同时与散射信号同步的50ns 宽度的Gate 控制信号输入到2250L 模块的选通端，该Gate 信号是激光脉冲经1064nm/530nm 激光分束镜反射出的一小部分，被光电探测器接收后形成模拟信号，经插件LeCroy 623B 比较器转换成数字信号，再通过延时器LeCroy 222延时形成。等离子放电结束后,CAM AC 机箱控制器将储存在A DC 存储缓冲器的采集数据传送到PC 机中，计算机执行数据读取、数据存储，利用查表法[10 11]求出等离子体电子温度和密度，然后将最终结果送到H L 2A
数据库。
Fig.3 C AM AC data acquisition system
图3 CAM AC 数据采集系统
2.5 散射系统的相对标定
非常e购
标定系统[7]
谭盾秦始皇
主要由标准光源和电扫描单仪构成。标准光源发出的在一定波长范围内的光经聚焦透镜聚焦后，在被斩波器变成脉冲光源的同时，光电耦合器给出一个同步脉冲，启动数据记录。通过斩波器的脉冲光，经过紫外(UV)滤光片滤波，进入电扫描单仪的入射狭缝，电扫描单仪衍射光栅的分光作用使一定波长范围内的光从出射狭缝依次输出，形成可调的单光源。在测量了标定系统输出光的光谱功率分布后，将它们作361第3期慈佳祥等:H L 2A 装置N d:Y AG 激光汤姆逊散射多道测量系统
为散射系统的输入光，逐步测量这些单光通过散射系统后产生的数据,
就得到了光谱响应系数。
Fig.4 M easu rement r esults of standard light pow er spectrum
图4 标准光源能量谱的测量结果 首先测量标准光源的功率谱。在780~1060nm 范
围内，以10nm 步长手动控制电扫描单仪，此时斩波
器处于不工作状态并且允许不同波长的标准光通过。5
m 光纤的入射端与标定系统的出射狭缝相连，出射端与
花儿为什么这样香
探测器相连，并用探测器接收光信号，用标定过的能量计
测量探测器接收到的信号，记录数据，得到标准光源的能
量谱，如图4所示。从图中可以看出：在940nm 左右，标
准光源的功率突然下降，说明光纤对波长为940nm 左
右的光有强烈的吸收。
本文多道散射系统测量的是6空间点的电子温度,
所以需要进行多点标定。将平移台(接收透镜和标定系统固定在平移台上)移到合适位置，使得5m 光纤输出
的标定光源与平移台移动后接收透镜的距离和实验时激光束与接收透镜的水平距离相等。由于标准光源的可见度很小，为了调试方便，先用激光笔发出的红可见激光作为模拟光源来确定接收光纤的位置。激光笔与5m 光纤的入射端面正对接触，使光纤充分接收红激光。光纤的出射端和准直透镜固定在一起，放置在标有刻度的标定支架上，并可以在标定支架上一起上下稳定移动。利用激光扫平仪出真空室中平面所对应的标定支架刻度，然后移动模拟光源到此位置，经过接收透镜之后，光纤接收端面能完全接收光信号的位置就是放电实验时接收等离子体几何中心的电子散射光位置，从而确定了单根光纤在光纤架上的位置。5根光纤束紧贴单根光纤的下边，放置在光纤架上。根据光纤接收端面的中心位置以及接收透镜的放大率可以判断5光纤束各通道所测量的空间位置，即标定时标准光源的位置。
标定时，将作为模拟光源的红激光换成标准光源，也就是将5m 光纤的入射端放在标定系统的出射狭缝处来对激光汤姆逊散射系统进行光谱标定。标定过程由计算机标定程序控制，扫描范围为750~1100nm，步长为2nm,
运行后就会自动采集数据并保存。
Fig.5 Coefficients of sp ectral res pon ds for the polychromator 图5 光谱仪通道的光谱响应系数 图5给出了波长750~1100nm 范围内，多光谱
仪的第4和第5光谱通道的光谱标定结果。由于电子温
度计算[6]只需要给出各通道光谱响应系数的比值，所以
图中给出是2通道光谱响应系数的相对值。由图5可
知：这2个光谱通道的通过波长带宽约为20nm，第4和
第5通道的中心波长分别在1030nm 和1050nm 附
近，与干涉滤光片的参数基本吻合。
标定结果中包含接收透镜相关的参数(如透射率),
但是测量多空间点电子温度时，各空间位置的散射角不
完全一样，所以在下一步标定实验中还需要测量散射角。
另外，标定实验中，假设接受窗口内侧是洁净的，并没有
考虑接受窗口对散射光的吸收和散等影响。而实际
上，接收窗口的内表面常常被等离子体放电所污染，尤其
是高参数、孔栏条件下的等离子体放电污染强度大，随着实验的进行，接受窗口的透过率(与散射光的波长有关)越来越小，影响等离子体温度和密度的测量结果。鉴如此，考虑在以后的实验中建立一套接收窗口的激光清洗系统[12 13]。
3 实验结果与不确定度的估计
采用多道激光汤姆逊散射系统测得了各种放电条件下，考虑误差时的电子温度分布。并参照氰化氢(H CN)激光干涉测量的密度数据，定性计算出散射强度与电子密度的比例系数，得到等离子体芯部区域的相对电子数密度。
图6为第8119次等离子体放电、电子回旋加热条件下，测得的电子温度和密度情况。其中I p 表示等离子体电流,n eh 表示H CN 激光干涉所测得的芯部电子线平均数密度,T e 和n e 分别为多道散射系统测得的电子362强激光与粒子束第21卷
温度和芯部电子数密度。本次等离子体放电，等离子存在时间t =1200ms，平顶时间为865ms，等离子体电流为132kA ，纵场强度为1.27T ，等离子体小半径为40cm ，电子回旋加热功率为270kW 。由
图6可知：多道散射系统测得芯部电子数密度n e 与H CN 激光干涉测得的电子线平均数密度n eh 变化趋势一致；电子回旋加热期间(400~600ms)，激光汤姆逊散射系统测得的电子温度明显升高，等离子体芯部相对电子密度N e (0)明显降低。
在没有电子回旋加热的条件下，移动5根光纤束的位置，可以得到等离子体靠近边缘区域的电子温度分布信息。图7给出了第8371次等离子放电中，各空间点的电子温度剖面分布的拟合曲线，放电主要参数：等离子体电流为198kA，纵场强度为1.46T，等离子体小半径为38cm 。由图7可以看出：电子温度基本上呈抛物线
分布。因而多道散射系统在较低参数放电条件下也能够得出电子温度的空间分布。
Fig.6 M easurement results of electron temperature and den sity
during electr on cyclotron r esonance heating of shot 8119
图6
在电子回旋加热期间电子温度和密度的测量结果 Fig.7 Profiles of electron temperatu re in sh ot 8371plasm a discharg e 图7 第8371次放电电子温度剖面分布
光谱标定的不确定度约为%1%；探测汤姆逊散射光子数引起的不确定度约为%5%；线路噪声引起的不确定度约为%2%；杂散光水平引起的不确定度为%4%；等离子体辐射所引起的噪声非常小，可以忽略；探测器和放大器温度变化引起的不确定度没有考虑。因此，考虑到以上的各种因素，实验所测量的电子温度不确定度为-12%~12%。
4 结 论
H L 2A 装置等离子体放电期间，整个多道激光汤姆逊散射系统同步运行基本正常，成功地实现对等离子体多空间点温度的测量，证实了汤姆逊激光散射系统运行的稳定性和可靠性，同时也为进一步发展该套系统，测量边缘区域和偏滤器中电子温度和密度的汤姆逊散射系统提供了实验基础。由于缺少对系统的拉曼散射标定，没能实现对电子数密度的绝对测量，但通过参照H CN 激光干涉的密度测量结果，得到电子数密度的相对测量值。在进一步的实验中，我们将对系统进行拉曼标定，以测量电子的绝对数密度，并继续增加空间测量点数，从而得到等离子体中心和边缘温度的相关数据信息。另外，我们还计划发展一套对接收光窗口内测的杂质沉积实时监测和清洗系统，减少接收窗口对散射光的吸收和散作用，提高实验测量的精确度。
参考文献:
[1] 项志遴，俞昌旋.高温等离子体诊断技术(下册)[M ].上海：上海科学技术出版社,1982:92 104.(Xian g Zhilin,Yu Ch angx uan.T echnology
of high temperatu re plasma diagnostics.S han ghai:Scientific an d T echnical Publis hers ,1982:92 104)
[2] 刘春华，黄渊，冯震，等.H L 2A 装置YAG 激光汤姆逊散射测量电子温度的初步结果[J].强激光与粒子束,2008,20(7):1119 1124.(Liu
C hunhua,Hu ang Yuan ,Feng Zhen,et al.Primary results of measu ring plasma electron tem perature w ith YAG las er T homs on scattering s ystem on the H L 2A T okam ak.H igh Pow er L aser and Par ticle Beams ,2008,20(7):1119 1124)
[3] Nilson D G,Carlstrom T N,Hill D N,et al.Divertor Thom son scattering on D D[J].Fusion Eng inee ring and Design ,1997,34 35:
609 612.
[4] Carls trom T N,H sieh C L,Stockdale R,et al.Initial operation of th e divertor T homs on scattering diagnostic on D D[J ].Rev S ci In
str um ,1997,68(2):1195 1200.
[5] Fajem irokun H ,Gowers C,Nielsen P,et al.A hig h r esolu tion lidar T homs on scatterin g diagnostic for J ET[J ].Re v S ci I nstr um ,1990,61(10):2843 2845.363第3期慈佳祥等:H L 2A 装置N d:Y AG 激光汤姆逊散射多道测量系统
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议