CN102564732B - 一种核聚变装置光学窗口透过率测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学测量领域，具体涉及一种核聚变装置光学窗口透过率测量装置。本发明的装置包括光源模块、探测模块、数据采集设备(10)和数据分析设备(11)，其中，光源模块位于核聚变装置光学窗口(5)的内侧，探测模块位于核聚变装置光学窗口(5)的外侧，探测模块将信号传输至数据采集设备(10)，数据分析设备(11)接收数据采集设备(10)的各路信号。本发明能够解决核聚变装置光学窗口透过率的测量问题，达到了准确测量可见光波段和近红外波段波长范围内光线穿过被污染的光学窗口的透过率的技术效果。

Description

一种核聚变装置光学窗口透过率测量装置
技术领域
本发明属于光学测量领域，具体涉及一种核聚变装置光学窗口透过率测量装置。
背景技术
在磁约束核聚变研究中，光学诊断系统需要用到不同的光学玻璃窗口，如非相干汤姆逊散射系统和相干汤姆逊散射系统等的激光光束的入射、出射窗口及散射信号的接收探测窗口。非相干汤姆逊散射系统使用调Q的高功率脉冲激光，通过对散射光谱分布函数的测量可以获得等离子体电子温度的数据，而散射光脉冲的总强度经标定后就可以得到电子密度的数据。在波长范围为400～760nm的可见光波段或波长范围为760～1700nm的近红外波段，对某一个窄带光谱内等离子体韧致辐射的绝对测量，可以得到Zeff空间分布的数据。
在等离子体放电、辉光放电清洗以及硅化壁处理等过程中由于溅射和喷镀等因素会对光学窗口造成污染，降低了光学窗口的透过率，而且上述污染因素对不同波长的光还具有不同的影响。现有核聚变领域中没有能够对可能被污染的光学窗口透过率进行测量的装置，降低了激光散射测量电子温度和密度以及等离子体有效电荷数等后续数据处理的准确性和可靠性。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种核聚变装置光学窗口透过率测量装置，针对核聚变装置中被污染的光学窗口透过率进行测量。
本发明的技术方案如下所述：
一种核聚变装置光学窗口透过率测量装置，包括光源模块、探测模块、数据采集设备和数据分析设备，其中，光源模块位于核聚变装置光学窗口的内侧，探测模块位于核聚变装置光学窗口的外侧，探测模块将信号传输至数据采集设备，数据分析设备接收数据采集设备的各路信号。
其中，光源模块包括LED安装盒、光源准直通光组件和遮挡板，三者与所述上述光学窗口的距离依次减小，其中，LED安装盒安装有以m×n阵列形式排列的若干个LED发光二极管，1≤m≤10，1≤n≤10，所有LED发光二极管的发光中心波长各不相同，且均处于400～1700nm范围内；光源准直通光组件为设有光源准直通光孔的长方体，其一端面与LED安装盒相连接，所述光源准直通光孔的数量和位置与所述LED发光二极管相应；遮挡板与光源准直通光组件的另一端面相接触，通过移动遮挡板的位置能够控制光源准直通光孔的开启/闭合。
探测模块包括探测准直通光组件和探测器安装盒，二者与所述光学窗口的距离依次增大，其中，探测准直通光组件为设有探测准直通光孔的长方体，其一端面与上述光学窗口相接触，所述探测准直通光孔的数量和位置与所述光源准直通光孔相应；探测器安装盒与探测准直通光组件的另一端面相连接，探测器安装盒安装有若干个光电探测器，优选为光电二级管，光电探测器的数量和位置与所述探测准直通光孔相应。
所述每个光电探测器分别通过一条光电流信号数据传输线与数据采集设备相连接；数据采集设备与数据分析设备通过一条电缆数据传输线相连接。
作为本发明的优选方案，所述光源模块中，光源准直通光组件连接遮挡板的端面与光学窗口的垂直距离大于20mm，优选为30mm。
作为本发明的改进，所述光源模块中，还包括步进电机，其与遮挡板相连接以控制遮挡板移动。
作为本发明的优选方案，所述光源模块位中，m＝8，n＝2；LED发光二极管的发光中心波长分别为525nm、535nm、600nm、680nm、800nm、830nm、850nm、890nm、910nm、940nm、970nm、980nm、1050nm、1070nm、1450nm和1550nm；LED发光二极管的发射角均小于10度。
作为本发明的改进，所述探测模块中，每个探测准直通光孔上设有一个窄带干涉滤光片，所述窄带干涉滤光片的中心波长参数与相应位置的LED发光二极管的发光中心波长相同；此外，每个探测准直通光孔上还可以设有一个聚焦透镜，所述聚焦透镜位于窄带干涉滤光片与光电探测器之间。
作为本发明的改进，所述每个光电探测器分别通过一条光电流数据传输线与一个放大器相连；每个放大器分别通过一条电缆数据传输线与数据采集设备相连接；数据采集设备与数据分析设备通过一条电缆数据传输线相连接。
本发明的有益效果包括：
(1)本发明的装置能够对核聚变装置中被污染的光学窗口透过率进行测量，能够测量可见光波段和近红外波段波长范围内光线穿过被污染的光学窗口的透过率；
(2)在测量时段遮挡板处于开启状态，不对光源准直通光孔进行遮挡；在非测量时段遮挡板处于关闭状态，完全遮挡住光源准直通光孔；针对LED发光二极管表面的喷镀污染、硅化等器壁处理、辉光放电清洗以及等离子体放电现象，有效防止了LED发光二极管表面被污染，保证了在任意测量时刻LED发光二极管发光强度的稳定性；
(3)利用步进电机能够方便快捷地控制遮挡板开启/闭合状态；
(4)光源模块中光源准直通光组件连接遮挡板的端面与光学窗口表面的适当距离，使光学窗口的被测量区域不被遮挡，从而与非测量区域受到相同程度的污染，保证了透过率数据的真实性与代表性；
(5)光源模块中LED发光二极管的发射角均小于10度，有利于光束的定向传输和接收；
(6)光源模块中LED发光二极管的发光中心波长各不相同，且均处于400～1700nm范围内，实现了光学窗口在可见光波段和近红外波段的某一宽光谱范围或某一特定光波长的光学透过率的测量；
(7)光源模块中的光源准直通光孔与探测模块中的探测准直通光孔位置一一对应，便于排除其他测量通道LED发光二极管发光和环境杂散光对该测量通道的干扰；
(8)探测模块中的每个探测准直通光孔上设有窄带干涉滤光片，且其中心波长参数与相应位置的LED发光二极管的发光中心波长相同，增强了光电探测器接收光的单色性；
(9)探测模块中的每个探测准直通光孔上设有聚焦透镜，增强了光电探测器接收光的强度；
(10)每个光电探测器分别通过一条光电流数据传输线与一个放大器相连，放大器能够将光电探测器中较为微弱的光电流信号进行放大，便于后续数据处理。
附图说明
图1为本发明的一种核聚变装置光学窗口透过率测量装置示意图；
图2为图1的A-A剖面图。
图中，1-LED发光二极管，2-光源准直通光组件，3-光源准直通光孔，4-遮挡板，5-光学窗口，6-窄带干涉滤光片，7-聚焦透镜，8-光电探测器，9-放大器，10-数据采集设备，11-数据分析设备，12-LED安装盒，13-探测准直通光组件，14-探测器安装盒。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述：
实施例1
如图1所示，本实施例中的核聚变装置光学窗口透过率测量装置包括光源模块、探测模块、数据采集设备10和数据分析设备11。其中，光源模块位于核聚变装置光学窗口5的内侧，即图1中光学镜片5的左侧，探测模块位于核聚变装置光学窗口5的外侧，即图1中光学镜片5的右侧，探测模块将信号传输至数据采集设备10，数据分析设备11接收数据采集设备10的各路信号。
本实施例中，所述核聚变装置为中国环流器2号A(HL-2A)装置，也可以采用其他聚变装置，光学窗口5为HL-2A装置上的非相干激光汤姆逊散射系统的散射光接收窗口，光源模块安装于HL-2A装置光学窗口5的内侧，探测模块安装于HL-2A装置光学窗口5的外侧。
光源模块包括LED安装盒12、光源准直通光组件2和遮挡板4，三者与所述光学窗口5的距离依次减小。其中，LED安装盒12安装有以m×n阵列形式排列的若干个LED发光二极管1，1≤m≤10，1≤n≤10，所有LED发光二极管1的发光中心波长各不相同，且均处于400～1700nm范围内，以实现光学窗口5在可见光波段和近红外波段的某一宽光谱范围或某一特定光波长的光学透过率的测量；光源准直通光组件2为设有光源准直通光孔3的长方体，其一端面与LED安装盒12相连接，所述光源准直通光孔3的数量和位置与所述LED发光二极管1相应；遮挡板4与光源准直通光组件2的另一端面相连接，通过移动遮挡板4的位置能够控制光源准直通光孔3的开启/闭合：在测量时段遮挡板4处于开启状态，不对光源准直通光孔3进行遮挡；在非测量时段遮挡板4处于关闭状态，完全遮挡住光源准直通光孔3。光源准直通光组件2连接遮挡板4的端面与光学窗口5的垂直距离大于20mm，优选为30mm。
如图2所示，本实施例中，m＝8，n＝2，16个LED发光二极管1的发光中心波长分别为525nm、535nm、600nm、680nm、800nm、830nm、850nm、890nm、910nm、940nm、970nm、980nm、1050nm、1070nm、1450nm和1550nm。且各LED发光二极管1的发射角优选均小于10度，如0度、3度、6度、9度。
探测模块包括探测准直通光组件13和探测器安装盒14，二者与所述光学窗口5的距离依次增大，其中，探测准直通光组件13为设有探测准直通光孔的长方体，其一端面与所述光学窗口5相接触，所述探测准直通光孔的数量和位置与所述光源准直通光孔3相应；探测器安装盒14与探测准直通光组件13的另一端面相连接，探测器安装盒14安装有若干个光电探测器8，本实施例中的光电探测器8为光电二极管，其数量和位置与所述探测准直通光孔相应。
所述每个光电探测器8分别通过一条光电流数据传输线与数据采集设备10相连接；数据采集设备10与数据分析设备11通过一条电缆数据传输线相连接。其中，数据采集设备10和数据分析设备11为本领域技术人员公知常识。
本装置的使用过程如下所述：
(1)使用恒电流驱动LED发光二极管1；
(2)将遮挡板4由关闭状态移动到开启状态，使LED发光二极管1的光线经过光源准直通光孔3入射到光学窗口5的内表面；
(3)光线穿过光学窗口5，从光学窗口5的外表面出射，经过探测准直通光孔入射到光电探测器8；
(4)光电探测器8将探测到的光信号转换为光电流信号，将光电流信号传输至数据采集设备10；
(5)数据采集设备10将收集到的光电流信号传输至数据分析设备11以计算光学透过率。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：
本实施例中的光源模块还包括步进电机，其与遮挡板4相连接以控制遮挡板4移动。在测量时段，步进电机控制遮挡板4处于开启状态，即步进电机旋转打开遮挡板4至与光源准直通光组件2的端面呈120度的位置，不对光源准直通光孔3进行遮挡；在非测量时段，步进电机控制遮挡板4处于关闭状态，完全遮挡住光源准直通光孔3。
上述技术特征能够方便快捷地控制遮挡板4开启/闭合状态。
实施例3
本实施例与上述两个实施例的区别在于：
本实施例的探测模块中，每个探测准直通光孔上设有一个窄带干涉滤光片6，所述窄带干涉滤光片6的中心波长参数与相应位置的LED发光二极管1的发光中心波长相同。
上述技术特征增强了光电探测器8接收光的单色性；
实施例4
本实施例与实施例3的区别在于：
本实施例的探测模块中，每个探测准直通光孔上还设有一个聚焦透镜7，所述聚焦透镜7位于窄带干涉滤光片6与光电探测器8之间。
上述技术特征增强了光电探测器8接收光的强度。
实施例5
本实施例与上述四个实施例的区别在于：
本实施例中的每个光电探测器8各自通过一条光电流数据传输线与一个放大器9相连；每个放大器9各自通过一条电缆数据传输线与数据采集设备10相连接；数据采集设备10与数据分析设备11通过一条电缆数据传输线相连接。
使用过程中，从光电探测器8输出的光电流信号经放大器9放大后传输至数据分析设备11，放大器9能够将光电探测器8中较为微弱的光电流信号进行放大，便于后续数据处理。
所述放大器9为本领域技术人员公知常识。

Claims (11)

1.一种核聚变装置光学窗口透过率测量装置，其特征在于：该装置包括光源模块、探测模块、数据采集设备（10）和数据分析设备（11），其中，光源模块位于核聚变装置光学窗口（5）的内侧，探测模块位于核聚变装置光学窗口（5）的外侧，探测模块将信号传输至数据采集设备（10），数据分析设备（11）接收数据采集设备（10）的各路信号；其中， 
光源模块包括LED安装盒（12）、光源准直通光组件（2）和遮挡板（4），三者与所述光学窗口（5）的距离依次减小，其中，LED安装盒（12）安装有以m×n阵列形式排列的若干个LED发光二极管（1），1≤m≤10，1≤n≤10，所有LED发光二极管（1）的发光中心波长各不相同，且均处于400～1700nm范围内；光源准直通光组件（2）为设有光源准直通光孔（3）的长方体，其一端面与LED安装盒（12）相连接，所述光源准直通光孔（3）的数量和位置与所述LED发光二极管（1）相应；遮挡板（4）与光源准直通光组件（2）的另一端面相接触，通过移动遮挡板（4）的位置能够控制光源准直通光孔（3）的开启/闭合； 
探测模块包括探测准直通光组件（13）和探测器安装盒（14），二者与所述光学窗口（5）的距离依次增大，其中，探测准直通光组件（13）为设有探测准直通光孔的长方体，其一端面与所述光学窗口（5）相接触，所述探测准直通光孔的数量和位置与所述光源准直通光孔（3）相应；探测器安装盒（14）与探测准直通光组件（13）的另一端面相连接，探测器安装盒（14）安装有若干个光电探测器（8），光电探测器（8）的数量和位置与所述探测准直通光孔相应； 
每个光电探测器（8）分别通过数据传输线与数据采集设备（10）相连接； 数据采集设备（10）与数据分析设备（11）通过数据传输线相连接。 
2.根据权利要求1所述的核聚变装置光学窗口透过率测量装置，其特征在于：所述光源模块中，光源准直通光组件（2）连接遮挡板（4）的端面与核聚变装置光学窗口（5）的垂直距离大于20mm。 
3.根据权利要求1所述的核聚变装置光学窗口透过率测量装置，其特征在于：所述光源模块中，光源准直通光组件（2）连接遮挡板（4）的端面与核聚变装置光学窗口（5）的垂直距离为30mm。 
4.根据权利要求1所述的核聚变装置光学窗口透过率测量装置，其特征在于：所述光源模块中，还包括步进电机，其与遮挡板（4）相连接以控制遮挡板（4）移动。 
5.根据权利要求1所述的核聚变装置光学窗口透过率测量装置，其特征在于：所述光源模块中，LED发光二极管（1）的发射角均小于10度。 
6.根据权利要求1所述的核聚变装置光学窗口透过率测量装置，其特征在于：所述光源模块中，m=8，n=2。 
7.根据权利要求6所述的核聚变装置光学窗口透过率测量装置，其特征在于：所述光源模块中，LED发光二极管（1）的发光中心波长分别为525nm、535nm、600nm、680nm、800nm、830nm、850nm、890nm、910nm、940nm、970nm、980nm、1050nm、1070nm、1450nm和1550nm。 
8.根据权利要求1所述的核聚变装置光学窗口透过率测量装置，其特征在于：所述探测模块中，光电探测器（8）为光电二极管。 
9.根据权利要求1所述的核聚变装置光学窗口透过率测量装置，其特征在于：所述探测模块中，每个探测准直通光孔上设有一个窄带干涉滤光片（6），所述窄带干涉滤光片（6）的中心波长参数与相应位置的LED发光二极管（1） 的发光中心波长相同。 
10.根据权利要求9所述的核聚变装置光学窗口透过率测量装置，其特征在于：所述探测模块中，每个探测准直通光孔上还设有一个聚焦透镜（7），所述聚焦透镜（7）位于窄带干涉滤光片（6）与光电探测器（8）之间。 
11.根据权利要求1所述的核聚变装置光学窗口透过率测量装置，其特征在于：所述每个光电探测器（8）分别通过一条数据传输线与一个放大器（9）相连；每个放大器（9）分别通过一条数据传输线与数据采集设备（10）相连接；数据采集设备（10）与数据分析设备（11）通过一条数据传输线相连接。 
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