CN104678330A - 应用于托卡马克装置的高精度磁场倾斜角测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于磁约束等离子体诊断领域，具体涉及一种基于偏振片和光谱仪的磁场倾斜角的测量系统。它包括4个光学准直透镜、4个偏振片、光纤、光谱仪、CCD相机和数据采集控制系统，4个光学准直透镜通过光纤连接光谱仪，光谱仪与CCD相机连接，CCD相机与数据采集控制系统连接，每个光学准直透镜前设置有一个偏振片。本发明的优点是，系统的可靠性好，测量精度也非常高，既适用于等离子体磁场偏转角的测量，也适用于其他线偏振光偏振方向的高精度测量。

Description

应用于托卡马克装置的高精度磁场倾斜角测量系统

技术领域

本发明属于磁约束等离子体诊断领域，具体涉及一种基于偏振片和光谱仪的磁场倾斜角的测量系统。

背景技术

在受控核聚变实验研究中，用于约束等离子体的磁约束装置主要是托卡马克（或仿星器）装置。由于等离子体的飘移，单纯依赖纵场是不可能实现带电粒子的约束的；因此必须引入一个极向磁场，使总场形成一种螺旋状的结构。这样粒子在等离子中的漂移方向将随着时间的变化而变化，从而总的漂移相互抵消，达到粒子被磁场较好地约束的目的。

托卡马克放电中的安全因子或电流密度分布对等离子体输运过程、MHD稳定性及能量约束有很大影响，在等离子体平衡与不稳定性理论模拟研究中起着关键作用，是理解托卡马克放电中许多物理现象(如等离子体锯齿行为，输运垒的形成，新经典撕裂模等)的一个重要参量。通过测量等离子体中电流密度分布并对其进行反馈控制，可以对等离子体分布与约束特性进行主动控制，从而实现高性能托卡马克放电。

要想推算出安全因子与电流密度分布,就必须测量出在每个磁面上磁场倾角,即沿径向分布的磁场倾角。由于磁场倾角的信息可以从对应斯塔克光束中的线偏振光推算出，所以能否正确且有效地探测束发射光谱的偏振方向是该专利的关键所在。

目前，测量线偏振光的偏振方向的主要方法有检偏仪和偏振态测量仪等。检偏仪主要由偏振片组成，它的结构简单，但其精度非常低，无法高速地对托卡马克装置上的磁场偏转角度进行测量；而偏振态测量仪对输入偏振光的功率要求较高（至少需要nW级），而且在检测精度以及光谱分辨上均无法满足托卡马克装置上磁场偏转角的测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于托卡马克装置的高精度磁场倾斜角测量系统，它能够突破普通的偏振态测量仪对测量低功率的部分线偏振光受到的限制，并可以高速地测量低于1nW功率的部分线偏振光的偏振角。

本发明是这样实现的，应用于托卡马克装置的高精度磁场倾斜角测量系统，它包括4个光学准直透镜、4个偏振片、光纤、光谱仪、CCD相机和数据采集控制系统，4个光学准直透镜通过光纤连接光谱仪，光谱仪与CCD相机连接，CCD相机与数据采集控制系统连接，每个光学准直透镜前设置有一个偏振片。

CCD相机采用的最低输入光功率为0.1nW。

四个偏振片的透振方向与水平方向的夹角分别为0、π/4、π/2以及3π/4。

本发明的优点是，系统的可靠性好，测量精度也非常高，既适用于等离子体磁场偏转角的测量，也适用于其他线偏振光偏振方向的高精度测量。

附图说明

图1为本发明所提供的应用于托卡马克装置的高精度磁场倾斜角测量系统的构成方框图；

图2是本发明所提供的应用于托卡马克装置的高精度磁场倾斜角测量系统的示意图。

图中，1聚变等离子体，2中性束注入系统，3中性束发射光束，4偏振片，5光学准直透镜，6光纤，7光谱仪，8CCD相机，9数据采集控制系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细介绍：

如图1和2所示，应用于托卡马克装置的高精度磁场倾斜角测量系统包括4个光学准直透镜5、4个偏振片4、光纤6、光谱仪7、CCD相机8和数据采集控制系统9。进行光电转换的CCD相机8采用的最低输入光功率为0.1nW。可以克服由于弱磁场或中性束注入功率不高导致的弱斯塔克效应。

其中，4个光学准直透镜5通过光纤6连接光谱仪7，光谱仪7与CCD相机8连接，CCD相机8与数据采集控制系统9连接，每个光学准直透镜5前设置有一个偏振片4。四个偏振片的透振方向与水平方向的夹角分别为0、π/4、π/2以及3π/4。偏振光透过四片偏振片，利用马吕斯定律，可求出偏振光的偏振方向。

如图2所示，当中性束注入到聚变等离子体1中，中性束与等离子体相互作用，发出带有与磁场倾角信息的斯塔克偏振光束3，该偏振光经过偏振片4，通过光学准直透镜5收集之后由光纤6传输至实验室，再由光谱仪7进行分光，之后在CCD相机8上成像并进行光电转换，通过数据采集控制系统9进行数据采集和存储。

使用本发明所述的测量系统，系统的可靠性好，测量精度也非常高，既适用于等离子体磁场偏转角的测量，也适用于其他线偏振光偏振方向的高精度测量。

使用本发明所述的高精度磁场倾斜角测量系统，经标准光源和偏振片输出线偏振光，根据CCD相机测得透过不同偏振片的偏振光的强度比，就可根据公式

$\tan \left(2\mathrm{\γ}\right)=\frac{I(3\mathrm{\π}/4,\mathrm{\λ})-I(\mathrm{\π}/4,\mathrm{\λ})}{I(\mathrm{\π}/2,\mathrm{\λ})-I(0,\mathrm{\λ})}$

得到非完全线偏振光与水平面的夹角，从而完成系统的标定工作。上式中0、π/4、π/2以及3π/4指偏振片的透振方向与水平方向的夹角。

Claims (3)

1.应用于托卡马克装置的高精度磁场倾斜角测量系统，它包括4个光学准直透镜（5）、4个偏振片（4）、光纤（6）、光谱仪（7）、CCD相机（8）和数据采集控制系统（9），其特征在于：4个光学准直透镜（5）通过光纤（6）连接光谱仪（7），光谱仪（7）与CCD相机（8）连接，CCD相机（8）与数据采集控制系统（9）连接，每个光学准直透镜（5）前设置有一个偏振片（4）。

2.如权利要求1所述的应用于托卡马克装置的高精度磁场倾斜角测量系统，其特征在于：CCD相机（8）采用的最低输入光功率为0.1nW。

3.如权利要求1所述的应用于托卡马克装置的高精度磁场倾斜角测量系统，其特征在于：四个偏振片的透振方向与水平方向的夹角分别为0、π/4、π/2以及3π/4。