CN105979689A - 适用于east边界汤姆逊散射诊断的光学定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于EAST边界汤姆逊散射诊断的光学定位系统，包括设置在EAST装置汤姆逊散射诊断信号收集窗窗体内部的信号收集透镜、信号收集光纤阵列、光纤位置定位系统，其中光纤位置定位系统沿前后水平方向整体设置在汤姆逊散射诊断信号收集窗窗体内位于窗口下方，光纤位置定位系统中靶板连接轴前端伸入EAST装置真空室内并垂直装配有光学靶板，光学靶板向上延伸至位于汤姆逊散射诊断信号收集窗窗口后方，信号收集透镜、信号收集光纤阵列依次位于窗口正前方。

Description

适用于EAST边界汤姆逊散射诊断的光学定位系统

技术领域

本发明涉及EAST装置领域，具体是一种适用于EAST边界汤姆逊散射诊断的光学定位系统。

背景技术

电子的温度与密度是表征等离子体特性的重要参数，获取等离子体电子温度与密度剖面分布及其随时间演化，对磁约束核聚变实验装置托卡马克的运行和物理研究均具有重要意义。在核聚变实验领域，等离子体电子的温度和密度普遍以激光汤姆逊散射测量结果为基准，因此，激光汤姆逊散射诊断系统成为各大受控热核聚变实验装置重要诊断之一。汤姆逊散射诊断是利用高能脉冲激光穿越真空室内的等离子体，通过测量电子在激光作用下产生的二次辐射谱（即汤姆逊散射光谱）来获得等离子体电子的温度与密度，其中谱的形状与强度分别与电子的温度与密度有关，经过标定的谱的形状与强度可获得电子的温度与密度。对于聚变实验装置，随着物理研究的需求，为获得不同位置等离子体电子的温度与密度，芯部、边界与偏滤器汤姆逊散射诊断系统会逐渐被搭建。EAST托卡马克是我国自主研制的最大型的聚变实验装置，其发展的诊断跟物理研究都处于国内领先水平。目前，芯部汤姆逊散射诊断系统已具有较高的系统性能，随着物理研究的需求，需扩展边界汤姆逊散射诊断系统以及与其相应的配套设施，包括了激光光源，光路传输系统，信号收集系统，分光光谱仪，信号采集与处理系统以及光纤位置定位系统等。其中，光纤位置定位系统用于建立真空室内产生的汤姆逊散射信号与信号收集光纤的对应关系。通常采用顺着光路移动锐角型靶板将诊断光束反射收到信号收集窗口，调整信号收集光纤的方法对信号收集光纤的位置进行定位（见文献Applied Mechanics and Materials Vol. 432 (2013) pp 500-506）。然而，对于EAST边界汤姆逊散射诊断系统，由于EAST边界诊断光束位置与方向的特殊性，以及光纤位置定标系统安装空间的特殊性与局限性（光纤位置定标系统安装于汤姆逊散射诊断的信号收集窗口），不能采用常规的方法对光纤的位置进行定位。图1显示了EAST边界汤姆逊散射诊断系统传输在真空室内部的光束，水平传输且靠近真空外壁。

发明内容 本发明的目的是提供一种适用于EAST边界汤姆逊散射诊断的光学定位系统，以解决现有技术EAST装置真空室中，EAST边界汤姆逊散射诊断系统光束传输位置与方向的特殊性以及光纤位置定位系统安装条件存在局限性，信号收集光纤位置难以精确定位的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

适用于EAST边界汤姆逊散射诊断的光学定位系统，其特征在于：包括设置在EAST装置汤姆逊散射诊断信号收集窗窗体内部的信号收集透镜、信号收集光纤阵列、光纤位置定位系统，其中光纤位置定位系统包括真空密封导管，真空密封导管上同轴套装有圆筒，圆筒内固定有外磁体结构，所述外磁体结构同轴套装在圆筒内的真空密封导管上，且外磁体结构、圆筒分别与真空密封导管之间相对滑动及转动配合，由圆筒、外磁体结构构成外直线旋转机构，真空密封导管内位于外磁体结构所在位置同轴设有空心圆柱体，所述圆柱体与真空密封导管之间相对滑动及转动配合，圆柱体内设有内磁体结构，内磁体结构与所述外磁体结构之间形成磁性耦合，由圆柱体、内磁体结构形成内直线旋转机构，内直线旋转机构中圆柱体前端中心同轴连接有无磁材料制成的靶板连接轴，靶板连接轴从真空密封导管前端穿出，由内、外直线旋转机构和靶板连接轴构成磁耦合直线旋转导入器；所述光纤位置定位系统沿前后水平方向整体设置在汤姆逊散射诊断信号收集窗窗体内位于窗口下方，光纤位置定位系统中靶板连接轴前端沿前后水平方向穿过窗口下方的窗壁伸入EAST装置真空室内部，靶板连接轴前端轴身上垂直装配有光学靶板，且光学靶板向上延伸至位于汤姆逊散射诊断信号收集窗窗口后方，所述信号收集透镜、信号收集光纤阵列依次位于窗口正前方。

所述的适用于EAST边界汤姆逊散射诊断的光学定位系统，其特征在于：所述光纤位置定位系统中，真空密封导管前端同轴装配有刀口法兰。

所述的适用于EAST边界汤姆逊散射诊断的光学定位系统，其特征在于：所述光纤位置定位系统中，构成外直线旋转机构的圆筒前、后端与真空密封导管结合处对应套装有前、后锁紧机构，前、后锁紧机构结构相同，均包括断开的圆环，圆环套在圆筒对应端与真空密封导管结合处，圆环断口处两端通过锁紧螺栓和锁紧螺母锁紧连接，由前、后锁紧机构将外直线旋转机构固定在真空密封导管上。

所述的适用于EAST边界汤姆逊散射诊断的光学定位系统，其特征在于：所述光纤位置定位系统中，光学靶板通过螺合安装在靶板连接轴上的靶板锁紧螺母垂直装配在靶板连接轴前端。

所述的适用于EAST边界汤姆逊散射诊断的光学定位系统，其特征在于：所述光纤位置定位系统中，构成外直线旋转机构的圆筒后端筒壁上固定连接有带有刻度的输运与转动杆，输运与转动杆向后从汤姆逊散射诊断信号收集窗穿出，且汤姆逊散射诊断信号收集窗内设有支撑光纤位置定位系统的支撑底座。

本发明工作过程为：

手动推动光纤位置定位系统的输运与转动杆，安装在光纤位置定位系统靶板连接轴上的光学靶板会往真空室内部方向移动，当光学靶板移动至边界诊断光束位置时，光束将会被光学靶板反射到汤姆逊散射诊断系统的信号收集窗，根据被反射光束的位置调整信号收集光纤阵列的位置，以致被反射光束能完全进入信号收集光纤一字阵列的一根光纤中；然后，将光学靶板再往真空室内部移动一段距离，转动靶板，边界光束将再次被反射回到信号收集窗口，根据第二次被反射的光束的位置再次调整信号收集光纤阵列的位置，以致被第二次反射光束能完全进入信号收集光纤一字阵列的另一个光纤中，根据两点确定一条直线的原理，可以确定信号收集光纤一字阵列的具体位置。通过此过程能建立信号收集光纤阵列与真空室内边界汤姆逊散射信号位置的对应关系。另外，输运与转动杆带有刻度能确定散射信号来自真空室的具体位置。

光学靶板在真空室内部的移动与转动是通过磁耦合直线旋转导入器实现的，具体如下：

磁耦合直线旋转导入器由内、外直线旋转机构、靶板连接轴构成，外直线旋转机构是一个带外磁体结构的圆筒，被套在真空密封导管上，内直线旋转机构是带内磁体结构的圆柱体，被安装在真空密封导管内部，外直线旋转机构与内直线旋转机构形成磁性耦合，由于磁性耦合力的作用，外直线旋转机构的移动与转动能够带动内直线旋转机构的移动与转动；靶板连接轴是由无磁不锈钢材料制成的丝杆，通过焊接的方式与内直线旋转机构相连；光学靶板通过靶板锁紧螺母固定在靶板连接轴上；因此，当移动与旋转外直线旋转机构时，通过磁性耦合力的作用，伸入真空室内部的光学靶板就会发生相应的移动与旋转。前、后锁紧机构是带锁紧螺栓和螺母的断开的圆环，被套在真空密封导管上，在外直线旋转机构的前、后端，用于固定外直线旋转机构。

本发明的理论依据是：光学靶板表面抛光、上部扭转特殊角度，此角度由边界诊断（边界汤姆逊散射诊断的简写）光路传输的方向与信号收集光纤接收信号方向的夹角决定，能将入射到其表面的光束反射到汤姆逊散射诊断系统的信号收集窗口，因此，通过移动与旋转光学靶板将边界诊断传输在真空室内部光束上两个不同位置的光束反射到信号收集窗口，调整信号收集光纤一字阵列使被反射的两束光进入到信号收集光纤一字阵列的两根光纤中，根据两点确定一条直线的原理，就可以确定信号收集光纤一字阵列的具体位置。

本发明优点为：

本发明公开了一种适用于EAST边界汤姆逊散射诊断的光学定位系统，其中光学靶板是竖型的，下部与窗口平行避免与窗口的干涉，上部扭转特殊角度能将边界诊断光束反射到信号收集窗口；结合移动与转动光学靶板的方法成功将边界诊断光束上不同位置的光束反射到了信号收集窗口，实现了信号收集光纤一字阵列位置的精确定位；不仅建立了信号收集光纤一字阵列与真空室内汤姆逊散射信号的对应关系，且能确定散射信号来自真空室内的具体位置；具有体积小，占用空间小，易集成，易操作，可以同时进行直线与旋转运动，能测量靶板在真空室的位置，能实现高真空密封的优点。

附图说明

图1为真空室内边界汤姆逊散射诊断光束传输图。

图2为本发明整体结构示意图。

图3为光学靶板扭转角度与边界诊断光束传输方向关系图。

图4为本发明中光纤位置定位系统结构图。

图5为本发明中光纤位置定位系统结构剖视图。

具体实施方式

如图2所示、图4及图5所示，适用于EAST边界汤姆逊散射诊断的光学定位系统，包括设置在EAST装置汤姆逊散射诊断信号收集窗9窗体内部的信号收集透镜7、信号收集光纤阵列8、光纤位置定位系统1，其中光纤位置定位系统1包括真空密封导管1.11，真空密封导管1.11上同轴套装有圆筒，圆筒内固定有外磁体结构1.6，外磁体结构1.6同轴套装在圆筒内的真空密封导管1.11上，且外磁体结构1.6、圆筒分别与真空密封导管1.11之间相对滑动及转动配合，由圆筒、外磁体结构1.6构成外直线旋转机构1.5，真空密封导管1.11内位于外磁体结构1.6所在位置同轴设有空心圆柱体，圆柱体与真空密封导管1.11之间相对滑动及转动配合，圆柱体内设有内磁体结构1.9，内磁体结构1.9与外磁体结构1.6之间形成磁性耦合，由圆柱体、内磁体结构1.9形成内直线旋转机构1.8，内直线旋转机构1.8中圆柱体前端中心同轴连接有无磁材料制成的靶板连接轴1.1，靶板连接轴1.1从真空密封导管1.11前端穿出，由内、外直线旋转机构1.8、1.5和靶板连接轴1.1构成磁耦合直线旋转导入器；光纤位置定位系统1沿前后水平方向整体设置在汤姆逊散射诊断信号收集窗9窗体内位于窗口下方，光纤位置定位系统1中靶板连接轴1.1前端沿前后水平方向穿过窗口下方的窗壁伸入EAST装置真空室内部，靶板连接轴1.1前端轴身上垂直装配有光学靶板，且光学靶板向上延伸至位于汤姆逊散射诊断信号收集窗9窗口后方，信号收集透镜7、信号收集光纤阵列8依次位于窗口正前方。

光纤位置定位系统1中，真空密封导管1.11前端同轴装配有刀口法兰1.3。

光纤位置定位系统1中，构成外直线旋转机构1.5的圆筒前、后端与真空密封导管1.11结合处对应套装有前、后锁紧机构1.4、1，7，前、后锁紧机构1.4、1.7结构相同，均包括断开的圆环，圆环套在圆筒对应端与真空密封导管1.11结合处，圆环断口处两端通过锁紧螺栓1.12和锁紧螺母1.10锁紧连接，由前、后锁紧机构1.4、1.7将外直线旋转机构1.5固定在真空密封导管1.11上。

光纤位置定位系统1中，光学靶板通过螺合安装在靶板连接轴1.1上的靶板锁紧螺母1.2垂直装配在靶板连接轴1.1前端。

光纤位置定位系统1中，构成外直线旋转机构1.5的圆筒后端筒壁上固定连接有带有刻度的输运与转动杆10，输运与转动杆10向后从汤姆逊散射诊断信号收集窗9穿出，且汤姆逊散射诊断信号收集窗9内设有支撑光纤位置定位系统1的支撑底座11。

光学靶板上部扭转一定的角度，能将边界诊断光束反射到汤姆逊散射诊断信号收集窗，此角度由边界诊断光束的传输方向与信号收集光纤接收信号方向设定，如图3所示，具体关系如下：边界诊断光束为入射光线，信号收集光纤接收信号的方向为反射光线的方向，光学靶板为反射面，根据光学原理中的反射角等于入射角，边界诊断光束与光纤光束夹角的平分线为法线，法线的垂直面即为需设置的光学靶板的平面，这样光学靶板就能将边界光束反射到信号收集光纤中，θ角为靶板平面与边界诊断光束的夹角。

将磁耦合直线旋转导入器用支撑底座与密封法兰固定在汤姆逊散射诊断系统的信号收集窗口。

用靶板锁紧螺母将光学靶板固定到磁耦合直线旋转导入器的靶板连接轴上，用螺母将输运与转动杆固定到磁耦合直线旋转导入器的外直线旋转机构上。

如图2所示，手动推动输运与转动杆10，使其往真空室方向移动，光学靶板将往真空室内部移动，当光学靶板移动至边界诊断光束的位置3时，光束4将被光学靶板反射到汤姆逊散射诊断信号收集窗。

根据被反射光束的位置调整信号收集光纤的位置，以致被反射光束能完全进入信号收集光纤阵列8的一根光纤中，标记此位置作为信号收集光纤阵列8的精度位置的一个定位点。

继续推动输运与转动杆10，使光学靶板再次往真空室内部移动一段距离，然后转动光学靶板至另一个位置5时，光学靶板会再次将边界光束反射到信号收集窗口，根据被第二次反射光束6的位置再次调整信号收集光纤的位置，以致被第二次反射光束6能完全进入信号收集光纤阵列8的另一根光纤中，固定此时信号收集光纤阵列8的位置，即为信号收集光纤阵列8的精确位置。由于两点确定一条线，根据此标定能建立信号收集光纤阵列跟真空室内汤姆逊散射信号的对应关系。

信号收集光纤阵列8精确位置确定后，手动拉回输运与转动杆10，使光学靶板收回到窗口边缘，避免其停留在真空室内部，影响EAST实验。

光学靶板被收回后，从磁耦合直线旋转导入器上卸下输运与转动杆10，避免其太长妨碍窗口施工，另外，用双锁紧机构固定外直线旋转机构，避免其移动或转动。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.适用于EAST边界汤姆逊散射诊断的光学定位系统，其特征在于：包括设置在EAST装置汤姆逊散射诊断信号收集窗窗体内部的信号收集透镜、信号收集光纤阵列、光纤位置定位系统，其中光纤位置定位系统包括真空密封导管，真空密封导管上同轴套装有圆筒，圆筒内固定有外磁体结构，所述外磁体结构同轴套装在圆筒内的真空密封导管上，且外磁体结构、圆筒分别与真空密封导管之间相对滑动及转动配合，由圆筒、外磁体结构构成外直线旋转机构，真空密封导管内位于外磁体结构所在位置同轴设有空心圆柱体，所述圆柱体与真空密封导管之间相对滑动及转动配合，圆柱体内设有内磁体结构，内磁体结构与所述外磁体结构之间形成磁性耦合，由圆柱体、内磁体结构形成内直线旋转机构，内直线旋转机构中圆柱体前端中心同轴连接有无磁材料制成的靶板连接轴，靶板连接轴从真空密封导管前端穿出，由内、外直线旋转机构和靶板连接轴构成磁耦合直线旋转导入器；所述光纤位置定位系统沿前后水平方向整体设置在汤姆逊散射诊断信号收集窗窗体内位于窗口下方，光纤位置定位系统中靶板连接轴前端沿前后水平方向穿过窗口下方的窗壁伸入EAST装置真空室内部，靶板连接轴前端轴身上垂直装配有光学靶板，且光学靶板向上延伸至位于汤姆逊散射诊断信号收集窗窗口后方，所述信号收集透镜、信号收集光纤阵列依次位于窗口正前方。

2.根据权利要求1所述的适用于EAST边界汤姆逊散射诊断的光学定位系统，其特征在于：所述光纤位置定位系统中，真空密封导管前端同轴装配有刀口法兰。

3.根据权利要求1所述的适用于EAST边界汤姆逊散射诊断的光学定位系统，其特征在于：所述光纤位置定位系统中，构成外直线旋转机构的圆筒前、后端与真空密封导管结合处对应套装有前、后锁紧机构，前、后锁紧机构结构相同，均包括断开的圆环，圆环套在圆筒对应端与真空密封导管结合处，圆环断口处两端通过锁紧螺栓和锁紧螺母锁紧连接，由前、后锁紧机构将外直线旋转机构固定在真空密封导管上。

4.根据权利要求1所述的适用于EAST边界汤姆逊散射诊断的光学定位系统，其特征在于：所述光纤位置定位系统中，光学靶板通过螺合安装在靶板连接轴上的靶板锁紧螺母垂直装配在靶板连接轴前端。

5.根据权利要求1所述的适用于EAST边界汤姆逊散射诊断的光学定位系统，其特征在于：所述光纤位置定位系统中，构成外直线旋转机构的圆筒后端筒壁上固定连接有带有刻度的输运与转动杆，输运与转动杆向后从汤姆逊散射诊断信号收集窗穿出，且汤姆逊散射诊断信号收集窗内设有支撑光纤位置定位系统的支撑底座。