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用远红外HCN激光干涉仪测量等离子体电子密度

在大多数托克马克(TOKAMAK)上,远红外激光干涉仪是等离子体诊断中一种重要的装置。本文介绍了用远红外HCN激光干涉仪测量等离子体电子密度的原理和激光干涉仪结构,并给出首次在我国第一台大型超导托克马克HT 7装置上测到的中心弦等离子体电子平均密度。干涉仪的光源是一台腔长3.4m、连续辉光放电的HCN激光器,波长337μm,输出功率100mW,测量的时间分辨率为100μs。

原理

电子密度是等离子体物理研究中一个很重要的物理量,测量等离子体电子密度主要利用电磁波在等离子体中的传播特性和技术。由于远红外激光的波长范围正好适合用来测量等离子体电子密度,因此,这种激光的干涉仪已成为高温等离子体诊断技术的常规诊断装置。

我们采用的“拍频法”对激光器输出的功率稳定性要求不是非常严格,因而被广泛应用。干涉仪用圆柱形转动光栅来进行频率调制,从而获得拍频信号,这种干涉仪被称作Veron型干涉仪[1,2]。

实际上,测量等离子体电子密度是通过测量等离子体的折射率来实现的。当电磁波垂直于磁场方向传播时,电场方向平行于磁场方向

相位调制

在黄铜圆柱面上沿圆柱的轴向刻满条纹。条纹的宽度和深度远远小于圆柱的直径(150mm),所以圆柱的圆周可近似地看作直线。

激光器

干涉仪的光源HCN激光器结构如图4所示,其谐振腔长3.4m,放电管长3m,内径48cm,外套玻璃油套,用硅油恒温。阴极内衬钽片,以极大限度地减小辉光放电时的溅射,延长阴极寿命。激光谐振腔一端是铜平面反射镜,反射率大于95%,用千分尺调节其水平位移以达到调整腔长的目的,用4个螺钉调节其角度。腔的另一端用金属网作耦合输出,金属网前平行安装了5根直径40μm的钨丝,这样就能得到垂直于钨丝的线偏振激光输出。输出窗口用石英片密封。用3根直径为50mm的熔石英管将激光器紧紧地连成整体,大大地提高了激光器的系统机械稳定性和热稳定性(石英管的热膨胀系数很小)。

HCN激光器是一台连续辉光放电的远红外激光器。实验中,所用的工作物质是CH4、N2和H2的混合气体。根据经验,放电温度在100℃左右时,激光输出功率最大,提高放电温度将使激光输出功率下降,但可阻止激光腔内聚合物的产生,而激光功率会随着腔内聚合物的增加而下降,所以我们取放电温度为110℃为最佳。另外,单独用H2进行辉光放电,可用来清洗激光腔。

辉光放电时,激励电源工作电压2kV~5kV可调,工作电流0.5A~1.0A,激光波长337μm,最大输出功率100mW。输出模式为EH11模,其在远场按高斯光束规律传播。

干涉仪

干涉仪的光路和图5所示,该电路是根据HT-7装置现场空间,按照文献[3]介绍的方法设计加工的。干涉仪是一个比较庞大的系统,其顶端离地约7m,整个安装在一个经过减震的车子上,车子可在两根平行导轨上移动,给调节光路带来方便。所有的光具座和紧固螺钉以及光学元件、支撑架本身都采用不受强磁场影响的材料做成,避免放电时光学元件产生振动,影响测量精度。因HT-7装置庞大,所以干涉仪光程也相应加长,为避免不必要的能量损失和过多的光学元件,我们首次采用了波导传播技术[4],该波导长约4m,内径50mm,厚5mm,为有机玻璃管。

数据处理

干涉仪上参考光束和探测光束经热释电探测器Dr、Dp接收后,经过前置放大、滤波,分别进入相位差计的两输入端,如图6所示。两路信号经过零比较、时钟计数,再经过数模转换、放大后即可求得所要测量的相移φ,从而求出电子平均密度。用这台干涉仪已首次测出了HT-7超导托克马克中等离子体中心道电子平均密度,时间分辨率为100μs。图7是等离子体电流、电子平均密度随时间变化的曲线。

该曲线是做电流斜升(Rampup)、斜降(Ramp-down)实验中得到的结果。


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