在大多數(shù)托克馬克(TOKAMAK)上,遠(yuǎn)紅外激光干涉儀是等離子體診斷中一種重要的裝置。本文介紹了用遠(yuǎn)紅外HCN激光干涉儀測(cè)量等離子體電子密度的原理和激光干涉儀結(jié)構(gòu),并給出首次在我國(guó)第一臺(tái)大型超導(dǎo)托克馬克HT 7裝置上測(cè)到的中心弦等離子體電子平均密度津辩。干涉儀的光源是一臺(tái)腔長(zhǎng)3.4m渡处、連續(xù)輝光放電的HCN激光器,波長(zhǎng)337μm,輸出功率100mW,測(cè)量的時(shí)間分辨率為100μs。

原理

電子密度是等離子體物理研究中一個(gè)很重要的物理量,測(cè)量等離子體電子密度主要利用電磁波在等離子體中的傳播特性和技術(shù)梦碗。由于遠(yuǎn)紅外激光的波長(zhǎng)范圍正好適合用來(lái)測(cè)量等離子體電子密度,因此,這種激光的干涉儀已成為高溫等離子體診斷技術(shù)的常規(guī)診斷裝置禽绪。

我們采用的“拍頻法”對(duì)激光器輸出的功率穩(wěn)定性要求不是非常嚴(yán)格,因而被廣泛應(yīng)用。干涉儀用圓柱形轉(zhuǎn)動(dòng)光柵來(lái)進(jìn)行頻率調(diào)制,從而獲得拍頻信號(hào),這種干涉儀被稱(chēng)作Veron型干涉儀[1,2]洪规。

實(shí)際上,測(cè)量等離子體電子密度是通過(guò)測(cè)量等離子體的折射率來(lái)實(shí)現(xiàn)的印屁。當(dāng)電磁波垂直于磁場(chǎng)方向傳播時(shí),電場(chǎng)方向平行于磁場(chǎng)方向

相位調(diào)制

在黃銅圓柱面上沿圓柱的軸向刻滿(mǎn)條紋循捺。條紋的寬度和深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圓柱的直徑(150mm),所以圓柱的圓周可近似地看作直線(xiàn)。

激光器

干涉儀的光源HCN激光器結(jié)構(gòu)如圖4所示,其諧振腔長(zhǎng)3.4m,放電管長(zhǎng)3m,內(nèi)徑48cm,外套玻璃油套,用硅油恒溫雄人。陰極內(nèi)襯鉭片,以極大限度地減小輝光放電時(shí)的濺射,延長(zhǎng)陰極壽命从橘。激光諧振腔一端是銅平面反射鏡,反射率大于95%,用千分尺調(diào)節(jié)其水平位移以達(dá)到調(diào)整腔長(zhǎng)的目的,用4個(gè)螺釘調(diào)節(jié)其角度。腔的另一端用金屬網(wǎng)作耦合輸出,金屬網(wǎng)前平行安裝了5根直徑40μm的鎢絲,這樣就能得到垂直于鎢絲的線(xiàn)偏振激光輸出柠衍。輸出窗口用石英片密封洋满。用3根直徑為50mm的熔石英管將激光器緊緊地連成整體,大大地提高了激光器的系統(tǒng)機(jī)械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性(石英管的熱膨脹系數(shù)很小)。

HCN激光器是一臺(tái)連續(xù)輝光放電的遠(yuǎn)紅外激光器枪岖。實(shí)驗(yàn)中,所用的工作物質(zhì)是CH4居然、N2和H2的混合氣體。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),放電溫度在100℃左右時(shí),激光輸出功率最大,提高放電溫度將使激光輸出功率下降,但可阻止激光腔內(nèi)聚合物的產(chǎn)生,而激光功率會(huì)隨著腔內(nèi)聚合物的增加而下降,所以我們?nèi)》烹姕囟葹?10℃為最佳仑连。另外,單獨(dú)用H2進(jìn)行輝光放電,可用來(lái)清洗激光腔郑喊。

輝光放電時(shí),激勵(lì)電源工作電壓2kV～5kV可調(diào),工作電流0.5A～1.0A,激光波長(zhǎng)337μm,最大輸出功率100mW。輸出模式為EH11模,其在遠(yuǎn)場(chǎng)按高斯光束規(guī)律傳播瀑尔。

干涉儀

干涉儀的光路和圖5所示,該電路是根據(jù)HT-7裝置現(xiàn)場(chǎng)空間,按照文獻(xiàn)[3]介紹的方法設(shè)計(jì)加工的阎臂。干涉儀是一個(gè)比較龐大的系統(tǒng),其頂端離地約7m,整個(gè)安裝在一個(gè)經(jīng)過(guò)減震的車(chē)子上,車(chē)子可在兩根平行導(dǎo)軌上移動(dòng),給調(diào)節(jié)光路帶來(lái)方便。所有的光具座和緊固螺釘以及光學(xué)元件元糯、支撐架本身都采用不受強(qiáng)磁場(chǎng)影響的材料做成,避免放電時(shí)光學(xué)元件產(chǎn)生振動(dòng),影響測(cè)量精度贺勿。因HT-7裝置龐大,所以干涉儀光程也相應(yīng)加長(zhǎng),為避免不必要的能量損失和過(guò)多的光學(xué)元件,我們首次采用了波導(dǎo)傳播技術(shù)[4],該波導(dǎo)長(zhǎng)約4m,內(nèi)徑50mm,厚5mm,為有機(jī)玻璃管。

數(shù)據(jù)處理

干涉儀上參考光束和探測(cè)光束經(jīng)熱釋電探測(cè)器Dr旷程、Dp接收后,經(jīng)過(guò)前置放大甩卷、濾波,分別進(jìn)入相位差計(jì)的兩輸入端,如圖6所示。兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)零比較起衫、時(shí)鐘計(jì)數(shù),再經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換劝薄、放大后即可求得所要測(cè)量的相移φ,從而求出電子平均密度。用這臺(tái)干涉儀已首次測(cè)出了HT-7超導(dǎo)托克馬克中等離子體中心道電子平均密度,時(shí)間分辨率為100μs栈妆。圖7是等離子體電流胁编、電子平均密度隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。

該曲線(xiàn)是做電流斜升(Rampup)鳞尔、斜降(Ramp-down)實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)果嬉橙。

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