一种用于等离子体密度测量的莱曼束发射谱诊断装置的制作方法

本发明涉及磁约束聚变实验装置等离子体密度测量，具体涉及一种用于等离子体密度测量的莱曼束发射谱诊断装置。

背景技术：

1、核聚变是宇宙中一种普遍的能量制造方式。聚变能由于其可持续性、安全性、清洁性等优点，被认为是未来解决人类社会发展问题的主要能源供给方式之一。根据劳森判据，为了实现聚变反应净能量输出，等离子体密度、等离子体温度和能量约束时间三者的乘积需要高于一定阈值。磁约束核聚变装置作为目前极有前景且备受关注的聚变电站方案，其主要原理是通过利用特殊位形的强磁场约束高温等离子体，使等离子体可控且持续地发生自持聚变反应，实现净能量输出。

2、对于磁约束核聚变研究，如何降低等离子体中的湍流输运，提高等离子体的约束水平，进而提高聚变三乘积，是目前极为关键的科学问题之一。当湍流及其引起的等离子体输运被抑制时，会形成带有输运垒特征的等离子体先进运行模式。在先进运行模式下，等离子体温度和密度会大幅提升。先进运行模式将成为未来国际热核聚变实验堆(iter)和中国聚变工程实验堆(cfetr)主要的运行模式。因此对湍流输运以及内部/边界输运垒的物理研究是磁约束核聚变的主要研究课题之一。

3、等离子体密度扰动是磁约束核聚变实验装置中研究湍流的重要物理量。目前在磁约束核聚变实验装置中，束发射谱诊断是具有等离子体密度及密度扰动测量能力的主要诊断，被广泛应用于湍流测量。目前磁约束核聚变实验装置等离子体密度较低(～1019/m3)，根据适用于稀薄等离子体的日冕模型，局域等离子体密度和中性束与等离子体相互作用发射的荧光强度成正比。由于中性束速度较快，中性束与等离子体相互作用发射的荧光信号相对于观测点，会有多普勒频移，从而可以区分中性束与等离子体相互作用发射的荧光信号以及背景等离子体发光。常规的束发射谱诊断通过测量中性束与等离子体相互作用发射的可见光波段的多普勒频移后的巴尔末-阿尔法谱线(n＝3→2,656.10nm)，来获取局域等离子体密度及扰动信息。常规束发射谱诊断装置通常包括收光透镜组，传输光纤，滤光系统，探测系统，采集系统等子系统。相较于其他类型湍流诊断，如仅能测量等离子体边缘及刮削层区域的静电探针和喷气成像诊断，以及仅具有弦积分测量能力的相衬成像等诊断，束发射谱诊断是能够局域地进行等离子体密度及其扰动全剖面高时间分辨测量的先进诊断。

4、虽然常规的束发射谱诊断具有微秒量级的高时间分辨能力，但是受物理测量原理限制，目前常规束发射谱诊断空间分辨率较低，世界领先水平也只能达到1-3cm，并且信噪比(snr)较低，无法进一步提升。

5、进而，常规束发射谱诊断一方面无法应用于边界输运垒(～2cm)等空间范围窄的物理现象的深入研究；另一方面在由于中性束衰减导致常规束发射谱诊断信噪比较低的等离子体芯部区域，无法进行内部输运垒的精确测量。

6、因此，需要设计一种用于等离子体密度测量的莱曼束发射谱诊断装置，以解决上述现有技术问题。

技术实现思路

1、本发明提出一种用于等离子体密度测量的莱曼束发射谱诊断装置，用于解决常规束发射谱诊断装置的空间分辨率不足以及信噪比(snr)较低的技术缺陷。

2、本发明的技术方案：

3、一种用于等离子体密度测量的莱曼束发射谱诊断装置，包括：收光系统10、分光系统20、探测系统30和采集控制系统40；收光系统10的一端与分光系统20的一端密封连接，分光系统20的另一端与探测系统30的一端密封连接，探测系统30的另一端连接至采集控制系统40；收光系统10的另一端设置在磁约束聚变实验装置真空室内部。

4、所述收光系统10包括：第一镜101、反射镜组、插板阀104、真空腔a105；

5、收光系统10设置在磁约束聚变实验装置真空室内部的端面上设置有第一镜101；

6、所述真空腔a105的前端连接有第一镜101，所述真空腔a105的后端与分光系统20密封连接，所述插板阀104设置在真空腔a105内部，用于在非实验状态时隔绝莱曼束发射谱诊断装置和磁约束聚变实验装置真空室的真空；

7、所述反射镜组将磁约束聚变实验装置内中性束与等离子体相互作用发出的荧光收集并成像至分光系统20内；

8、所述真空腔a105的外壁面上还开设有真空法兰a1051，用于与抽真空装置密封连接；

9、所述第一镜101用于将中性束与等离子体相互作用发出的荧光引出磁约束聚变实验装置真空室，并投射到反射镜组上。

10、所述分光系统20为真空紫外单色仪；分光系统20的聚焦成像面上设置有探测系统30；所述分光系统20包括：真空腔b201、准直镜203、光栅204、和聚焦镜205；所述真空腔b201内部分别设置有入口狭缝202、准直镜203、光栅204和聚焦镜205；所述真空腔b201的外壁面上开设有真空法兰b2011；真空腔b201内部开设有入口狭缝202，真空腔b201内部为真空；所述准直镜203设置在接收入口狭缝202光路的位置，光栅204设置在接收准直镜203反射光路的位置，所述聚焦镜205设置在接收光栅204衍射光路的位置，所述聚焦镜205将接收到的光栅204衍射光路聚集成像至探测器302。

11、所述探测系统30包括：真空盲板法兰c301、探测器302、信号放大电路303和冷却模块；所述冷却模块包括：热电制冷模块3041和风冷模块3042；

12、所述真空盲板法兰c301与分光系统20密封连接，所述真空盲板法兰c301设置在真空腔b201内部真空环境的端面上分别设置有探测器302、信号放大电路303和热电制冷模块3041；所述真空盲板法兰c301未设置在真空腔b201内部真空环境的端面上设置有风冷模块3042。

13、所述探测器302为线阵探测器，用以探测不同入口狭缝202高度处的经分光后聚焦的特定波长衍射光。

14、所述采集控制系统40包括：通信光纤402、模数转换模块、光纤采集卡403和工控机404；所述模数转换模块包括:模数转换电路4011和光模块4012；

15、所述通信光纤402的一端上连接有模数转换模块，所述模数转换模块与探测系统30上的真空盲板法兰c301连接，通信光纤402的另一端连接光纤采集卡403，所述工控机404内部设置有光纤采集卡403。

16、所述光模块4012用于将数字电信号转换为光信号。

17、所述反射镜可选非球面或自由曲面，用以在满足系统成像质量要求的前提下，减少反射镜的数量，提高通光效率。

18、所述反射镜可镀铝和氟化物的双层膜或者氟化物的多层膜，用以提高反射镜在真空紫外波段的反射率。

19、反射镜的镀膜厚度需根据入射波长和入射角度优化设计，用以提高反射镜在真空紫外波段的反射率。

20、本发明的有益效果：

21、1、本发明首次采用等离子体莱曼-阿尔法谱线，对基于莱曼-阿尔法谱线的束发射谱诊断技术进行探索，突破传统束发射谱诊断因测量原理导致的厘米级空间分辨率限制，实现对等离子体密度及其扰动的更高精度测量(毫米量级)。

22、2、本发明提供了通过收集测量磁约束聚变实验装置上中性束与等离子体相互作用发射的莱曼-阿尔法谱线，来获取局域等离子体密度及扰动剖面分布的技术方案，使束发射谱诊断系统的空间分辨率提高到亚厘米量级；同时在保证微秒量级时间分辨率的同时，可以获得更高的光通量和信噪比，从而实现磁约束聚变实验装置等离子体密度及其扰动的高信噪比高时空分辨测量，进而满足湍流输运和先进运行模式等物理研究需要。

23、3.本发明将莱曼束发射谱诊断装置细化为收光系统、分光系统、探测系统和采集控制系统这四个子系统，并通过对装置整体、各子系统和各部件的优化设计，实现了对真空紫外波段的多普勒频移后的莱曼-阿尔法谱线的高效率收集、传输、分光、探测及信号处理，以提高系统性能。

24、4.本发明结构紧凑，工艺先进，效率高，稳定可靠；收光系统和分光系统结构灵活，可根据磁约束聚变实验装置的参数和所需观测范围进行优化设计，适用性强。

25、5.本发明对探测系统进行了温控设计，使探测系统维持在一定低温条件下，可以降低探测系统的电子学噪声，提高系统的带宽和信噪比，同时可以提高系统的稳定性和准确度。

26、6.通常由于磁约束聚变实验装置诊断窗口附近空间占有率过高，可用空间少，采集系统需放置在距离诊断窗口约10米外，通过传输线传输电信号。因而本发明采用了与常规诊断采集系统不同的设计，将模数转换模块设置于探测系统上并紧邻探测系统，通过通讯光纤传输光信号。此种设计可以降低较弱的模拟电信号在传输过程中的失真，以及磁约束聚变实验装置周围复杂电磁场造成的串扰等干扰的影响，从而提高采集数据的准确性。

27、7.本发明除了能用于磁约束聚变实验装置等离子体光谱诊断外，还可以用于天体物理分析、空间环境探测、光学检测等领域。