CN104185353A - 一种基于汤姆逊散射弱相干技术的聚变堆等离子体密度温度诊断方法 - Google Patents

Abstract

一种基于汤姆逊散射弱相干技术的聚变堆等离子体密度温度诊断方法，步骤包括：设置宽带低相干强光源、设置带宽调制器、设置分光系统、参考臂产生光程差及频移信号、从参考臂和检测臂返回的光发生干涉后经过光栅被分为不同波长的干涉光谱信号，并被阵列CCD接收、经过傅里叶变换得到入射光方向即轴向散射强度分布，再通过瑞利散射或拉曼散射绝对定标，获得等离子体电子密度轴向分布信息；由谱线的多普勒展宽得出电子的热运动速率信息，从而获得等离子体电子温度分布；最大后通过考臂长的平移调整改变光程差实现大深度等离子体(大于1m)的测量。本发明利用汤姆逊后向散射光学相干层析技术测量聚变堆等离子体电子温度与密度的在线测量。

Description

一种基于汤姆逊散射弱相干技术的聚变堆等离子体密度温度诊断方法

技术领域

本发明涉及一种聚变堆等离子体的密度温度诊断方法，特别是但不限于聚变堆的等离子体密度温度的汤姆逊散射弱相干技术的诊断方法。 

背景技术

(1)等离子体诊断技术 

磁约束核聚变面临的主要物理问题之一是如何有效实现托卡马克长时间运行，这需要对等离子体内部的磁岛、内部输运垒、边界输运垒有一个全面的理解和控制，其首要问题就是对这些结构有一个准确有效的诊断方法。高温等离子体诊断方法有探针法、微波法、感应线圈法、回旋共振法、激光法、X射线法、光谱法、光学法(可见光)、粒子束法和汤姆逊散射诊断等方法，电子密度测量范围10⁸～10¹⁹cm^-3，温度测量范围10^-1～10⁴eV。 

目前，汤姆逊散射诊断被认为最准确的测量等离子体电温度密度的方法。汤姆逊散射的原理是，当激光射入等离子体时，等离子体中的电子因激光电场作用而振动，产生辐射。等离子体对入射光的散射谱的多普勒展宽反映出电子的速率分布，等离子体电子温度和电子密度可分别由散射谱的多普勒展宽宽度和总的散射强度确定(通过瑞利散射或拉曼散射绝对定标)。 

通常，汤姆逊散射诊断局限于单个空间点、单次测量，为了在一次等离子体放电过程中同时测量更多点的温度、密度，在EAST、TFTR、TEXTOR、JT-60U、MAST装置上实现多道激光汤姆逊散射诊断。HL-2A装置上改进后的汤姆逊散射诊断的空间分辨率为2.2cm，时间分辨率为100ms，电子温度测量范围为0.55keV≤T_e≤8keV。但是汤姆逊散射诊断采用90⁰侧向散射也有不足之处，如需要两个窗口，入射与出射光路分散不利调试。 

JET装置上的雷达汤姆逊散射系统采用超短激光脉冲的后向散射，利用激光飞行时间或者雷达原理，可以知道各时刻激光脉冲的位置，随时间分布的电子温度T_e与密度n_e可以转化为随径向分布的T_e与n_e，其空间分辨率约为12cm，时间分辨率为4Hz，电子温度测量范围为0.2keV≤T_e≤20keV，测量误差在10％以内。 

ITER装置上汤姆逊散射诊断，等离子体芯部的电子温度最高可达约40keV，电子相对论效应更加明显，采用多波段激光器实现对电子温度的测量。 

(2)弱相干成像技术 

1991年，美国麻省理工学院J.G.Fujinoto等人开发了一种弹道光成像技术——光学相干层析成像(OCT)，后来发展了频域OCT(Spectral domain OCT，SD-OCT)，它的核心是一个采用宽带光源的迈克尔逊干涉的弱相干技术。 

频域SD－OCT系统基于光谱干涉仪，从参考臂和检测臂返回的光发生干涉后在快速光谱仪中被分为不同波长的干涉光谱信号，被线阵CCD接收。然后通过快速傅里叶变换，可以得到样品的深度信息。如图1所示，假定样品为多层反射体，忽略样品的色散，样品不同纵向深度z处的后向散射幅度为a(z)，则从样品返回的光可以看作是样品不同深度返回的光波的叠加。则干涉光谱信号可以表示为： 

$I\left(k\right)=S\left(k\right){|a_R{e}^{i2\mathrm{kr}}+{\∫}_0^{\∞}a\left(z\right)e^{i2\mathrm{kz}}\mathrm{dz}|}^2---\left(1\right)$

其中k是光波的波数，k＝2π/λ，λ为光波的波长。S(k)是光源的功率谱密度，a_R是参考臂的反射系数，r和z是参考臂和检测臂相对共同参考面(如耦合器)的光程。令a_R＝1并且r＝0，(1)式可以写为： 

$\begin{array}{c}I\left(k\right)=S\left(k\right){|a_R{e}^{i2\mathrm{kr}}+{\∫}_0^{\∞}a\left(z\right)e^{i2\mathrm{kz}}\mathrm{dz}|}^2\\ =S\left(k\right)(1+A\left(k\right))(1+A^{*}\left(k\right))\end{array}---\left(2\right)$

其中A(k)的逆傅里叶变换就是a(z)，即样品的深度分布信息。(2)式由三项组成，其中第一项为直流项，第二项为参考臂和检测臂之间的干涉项，第三项为样品内部不同深度处的后向散射光的互相干项。对(2)式进行逆傅里叶变换，可以得到： 

$\begin{array}{c}{\mathrm{FT}}^{-1}\left[I\left(k\right)\right]={\mathrm{FT}}^{-1}\left[S\left(k\right)\right]\⊗{\mathrm{FT}}^{-1}\left[(1+A\left(k\right))(1+A^{*}\left(k\right)\right]\\ =\mathrm{\Γ}\left(z\right)\⊗(\mathrm{\δ}\left(z\right)+a\left(z\right)+a(-z)+\mathrm{AC}\left(a\left(z\right)\right))\end{array}---\left(3\right)$

其中Γ(z)是光源逆傅里叶变换，即光源相干函数的包络，决定了系统的轴向分辨率。δ(z)代表了位于z＝0(即零光程处)附近的直流项，a(z)和a(-z)分别是样品的深度信息及其对称项，即样品的镜像。AC(a(z))是a(z)的自相关项。在系统的检测臂进行横向扫描，对每个横向扫描位置采集到的干涉光谱信号进行傅里叶变换，最后拼接在一起，就能得到样品的横截面图像。 

光源的相干长度，即断层扫描的轴向分辨率为： 

$l_c=\frac{2\ln 2}{\mathrm{\π}}\·\frac{{\mathrm{\λ}}_0^2}{\mathrm{\Δ\λ}}\≈0.44\frac{{\mathrm{\λ}}_0^2}{\mathrm{\Δ\λ}}---\left(4\right)$

除了光波的穿透深度外，OCT系统的成像深度主要由光谱仪的光谱分辨率δλ决定，由采样定理决定的最大成像深度为： 

$z_{\mathrm{mzx}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0^2}{4\mathrm{\δ\λ}}---\left(5\right)$

(3)基于汤姆逊后向散射弱相干的等离子体诊断方法 

结合电子汤姆逊后向散射与频域OCT技术可以实现聚变堆等离子体电子密度与温度的诊断。下文简述以汤姆逊后向散射弱相干技术诊断聚变堆等离子体密度温度方法。 

频域OCT技术应用低相干干涉原理，通过将等离子体电子的后向汤姆逊散射光与已知光程的参考光进行比较，只有与参考光等光程位置处的后向汤姆逊散射光才能产生干涉信号，干涉信号通过光普仪后被CCD接收得到干涉光频谱信号，再经过逆傅里叶变换，得到入射光轴向汤姆逊散射光强度信息，经过瑞利散射或拉曼散射绝对定标后，可获得等离子体入射光轴向密度分布；也可由CCD接收得到干涉光谱信号的谱宽分析，可获得等离子体入射光轴向电子温度度分布。若再结合横向扫描即可组成一幅三维的等离子体密度温度分布图像。 

本发明，利用汤姆逊后向散射弱相干技术诊断等离子体的方法直到目前尚无相关研究报导。与已有的聚变堆等离子体诊断方法相比较，汤姆逊后向散射弱相干技术具有诊断分辨率高，可达毫米量级以上，测量速度快，等离子体沿激光轴向分布一次测量就可获得。另外，利用汤姆逊后向散射弱相干只需在聚变堆装置上占用一个窗口。由于采用弱相干，汤姆逊后向散射光的强度不必大于等离子体射出的韧致辐射光的强度，降低了对激光源功率的要求，对强激光源的背景杂散光的要求也降低了。 

基于以上技术背景，针对国家磁约束核聚变能发展研究专项项目(2013GB113004)的任务需求，特提出本发明专利。 

发明内容

本发明的目的：为了解决聚变堆等离子体电子温度密度的精确测量问题，提供一种基于汤姆逊散射弱相干技术的聚变堆等离子体密度温度诊断方法，利用汤姆逊后向散射光学相干层析技术测量聚变堆等离子体电子温度与密度的在线测量。 

本发明采用的技术方案为：一种基于汤姆逊散射弱相干技术的聚变堆等离子体密度温度诊断方法包括以下步骤： 

S1，设置宽带低相干强光源。选择的入射激光源必须满足以下条件：为了使入微波 在等离子体中是透明的，必须满足ω₀＞ω_p，ω₀,ω_p为光源中心频率及等离子体频率；由于电子散射截面很小，高温度等离子体密度较低，要求激光器的功率密度很高； 

S2，光束的发散角要足够小；使光束的所有能量都集中在较小的体积内，提高后向散射，所以选择激光器——红外Nd:YAG激光器，中心波长为1064nm，能量2J，脉宽为0.1μs，脉冲频率100Hz。低相干要求光源要求有一定的谱线宽度，调制带宽Δλ由相干长度需求调节这里设置Δλ＝5nm，相干长度为0.2mm，即入射光方向(轴向)分辨率； 

S3，设置分光系统。因为等离子体中电子汤姆逊散射截面很小，所以，让红外YAG激光器发出的宽带低相干光经过高透分光棱镜分为两束，其中能量低的一束经过光程调节系统形成参考光，另一束经过透镜聚焦到聚变堆等离子体内部，等离子体后向散射光与参考光重新汇合； 

S4，参考臂用来产生光程差及频移信号，从分光棱镜低能量出射光经过准直后垂直射入平面镜后返回，参考臂步进电机的来回移动带动平面镜产生的光程变化，实现大尺度(大于等于1m)等离子体不同深度的测量； 

S5，从参考臂和检测臂返回的光发生干涉后经过光栅被分为不同波长的干涉光谱信号，并被阵列CCD接收。光栅的分辨率要求为δλ＝0.01nm，由式5可知，测量深度约为l＝10cm； 

S6，通过傅里叶变换(式2，式3)，得到入射光方向(轴向)散射强度分布，再通过通过瑞利散射或拉曼散射绝对定标，获得等离子体电子密度轴向分布信息。由CCD检测得到的谱信号可获得等离子体对入射光的散射谱的多普勒展宽，得出电子的热运动速率信息，从而获得等离子体电子温度分布； 

S7，由于聚变堆等离子体体积较大，并且宽带光源的测量深度有限，约为10cm，为了测量整个等离子体区域(大于10cm)，通过考臂长的平移调整实现大深度(大于等于1m)的测量。 

本发明与现有技术相比的优点在于： 

本发明利用汤姆逊后向散射弱相干技术诊断聚变等离子体温度密度，具有非接触、高精度、快速实时、简便等特点。关于汤姆逊后向散射弱相干技术诊断聚变等离子体温度密度的方法直到目前尚无相关研究报导。与已有的聚变堆等离子体诊断方法相比较，汤姆逊后向散射弱相干技术具有诊断分辨率高，可达毫米量级以上，测量速度快，等离子体沿激光轴向分布一次测量就可获得，更容易控制诊断位置点，特别是等离子体边界 区域。另外，利用汤姆逊后向散射弱相干方法只需在聚变堆装置上占用一个窗口；由于采用弱相干技术，汤姆逊后向散射光的强度不必大于等离子体射出的韧致辐射光的强度，降低了对激光源功率的要求，对强激光源的背景杂散光的要求也降低了。 

附图说明

图1频域OCT示意图； 

图2为光路原理示意图。 

具体实施方式

如图2所示，Nd:YAG激光器发出的1064nm光经过带宽调制器，调制为低相干光经过分光器分成两束，其中一束弱光经过参考臂的扫描系统反射形成参考光，另一束强光经过物镜聚焦到聚变堆等离子体内部，其后向散射光与参考光在光纤耦合器处重新汇合。耦合器的输出是参考光与后向散射光的相干迭加，经过光栅分光后，由光电探测器CCD探测，将光谱信号转换成电信号，然后再将模拟信号转换成数字信号存储在计算机中，最后由软件实现信号处理与图像显示。 

下面结合附图给出本发明的具体实施方式，以详细说明本发明的技术方案。 

如图2所示，为本发明具体实施的光路原理图。 

步骤101设置宽带低相干光源。选择近红外波段的Nd:YAG激光器作为入射光源，中心波长为1064nm，能量大于2J，脉宽为0.1μs，脉冲频率100Hz； 

步骤102设置带宽调制器。低相干要求光源要求有一定的谱线宽度，调制带宽Δλ由相干长度需求调节这里设置Δλ＝5nm，相干长度为0.2mm，即入射光方向(轴向)分辨率； 

步骤103经调制的宽带低相干光I₀经过分光器后分成两束I₁和I₂，其中一束弱光I₁(I₁＜0.01I₀)经过参考臂的扫描系统反射形成参考光，另一束强光I₂(I₂＞0.99I₀)经过物镜聚焦到聚变堆等离子体内部(检测臂)，其后向散射光与参考光在光纤耦合器处重新汇合，这样分配光强(I₁＜＜I₂)的原因是等离子体中电子汤姆逊散射截面很小，为了减少等离子体后向散射光与参考光强的巨大差异； 

步骤104参考臂主要用来产生光程差。从分光器出射光经过准直后垂直射入平面镜后返回，参考臂步进电机的来回扫描产生的光程变换和匹配检测臂的光程，实现对大体积聚变堆等离子体的测量； 

步骤105在检测臂和参考臂设置光纤转换头，把等离子体后向散射光与参考臂反射回来的光转为光纤传输； 

步骤106耦合器的输出是参考光与检测臂后向散射光的相干迭加，经过光栅被分为不同波长的干涉光谱信号，并被阵列CCD接收。光栅的分辨率要求为δλ＝0.01nm，由式5可知，测量轴向深度约为l＝10cm。CCD将光栅衍射信号I(k)转换成数字信号存储在计算机中，通过傅里叶变换得到入射光方向散射强度分布a(z)，再通过瑞利散射或拉曼散射绝对定标，获得等离子体电子密度入射光方向分布。由CCD检测得到的谱信号I(k)得等离子体相对宽带入射光的多普勒展宽，由多普勒原理得出电子的平均热运动速率，从而得到等离子体电子温度分布； 

步骤107由于聚变堆等离子体体积较大，并且光栅分辨率决定了测量深度，约为10cm，为了测量整个等离子体区域(大于10cm)，通过移动调节参考臂改变光程，实现不同深层等离子体的测量。 

以上虽然描述了本发明的具体实施方法，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明原理和实现的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改，例如，宽带低相干光源可以是可见光、近红外可调激光源；或者采用时域干涉；或者用于惯性聚变等离子体；或者用于低温等离子体诊断。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。 

Claims (1)

1.一种基于汤姆逊散射弱相干技术的聚变堆等离子体密度温度诊断方法，其特征在于包括以下步骤：

S1，设置宽带低相干强光源，选择的入射的激光器光源必须满足以下条件：ω₀＞ω_p，ω₀,ω_p为光源中心频率及等离子体频率；选择激光器为红外Nd:YAG激光器，中心波长为1064nm，能量2J，脉宽为0.1μs，脉冲频率100Hz；

S2，设置带宽调制器，调制带宽Δλ由相干长度需求调节设置Δλ＝5nm，相干长度为0.2mm，即入射光方向即轴向分辨率；

S3，设置分光系统，让红外YAG激光器发出的宽带低相干光I₀经过分光器后分成两束I₁和I₂，其中一束弱光I₁经过参考臂的扫描系统反射形成参考光，所述I₁＜0.01I₀；另一束强光I₂经过物镜聚焦到聚变堆等离子体内部即检测臂，其后向散射光与参考光在光纤耦合器处重新汇合；所述I₂＞0.99I₀；

S4，参考臂用来产生光程差及频移信号，从分光棱镜低能量出射光经过准直后垂直射入平面镜后返回，参考臂步进电机的来回移动带动平面镜产生的光程变化，实现大尺度等离子体不同深度的测量；

S5，从参考臂和检测臂返回的光发生干涉后经过光栅被分为不同波长的干涉光谱信号，并被阵列CCD接收；光栅的分辨率要求为δλ＝0.01nm，测量深度为l＝10cm；

S6，通过傅里叶变换得到入射光方向即轴向散射强度分布，再通过瑞利散射或拉曼散射绝对定标，获得等离子体电子密度轴向分布信息；由CCD检测得到的谱信号获得等离子体对入射光的散射谱的多普勒展宽，得出电子的热运动速率信息，从而获得等离子体电子温度分布；

S7，由于聚变堆等离子体体积较大，并且宽带光源的测量深度有限，为了测量整个等离子体区域，通过参考臂的平移调整改变光程差实现大深度的测量。