CN108269632A - 一种兆赫兹电荷交换谱诊断系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于可见光谱分析技术领域，具体涉及一种兆赫兹电荷交换谱诊断系统。本发明的兆赫兹电荷交换谱诊断系统，包括光学成像系统、传输光纤、大口径透射式体光栅光谱仪、传输光纤阵列、光电转换装置和数据采集与存储系统；本发明解决了现有测量等离子体温度和旋转速度的系统时间分辨过低，严重影响了科研人员对瞬态物理过程的理解的技术问题。本发明的系统，可靠性好，光谱分辨能力高，时间分辨能力强。克服了传统电荷交换复合谱系统测量离子温度和旋转速度时间分辨低的缺点，使离子温度和旋转速度时间分辨达到兆赫兹量级，实现该物理量测量质的飞跃。
Description
技术领域
本发明属于可见光谱分析技术领域，具体涉及一种兆赫兹电荷交换谱诊断系统。
背景技术
在受控核聚变实验研究中，目前用于磁约束等离子体研究的主要是托卡马克(或仿星器)装置。基于中性束(NBI)对等离子体进行诊断的系统之一是电荷交换复合谱系统(CXRS)。该系统可以用于测量等离子体温度和旋转速度，这些参数对于研究氘氚核聚变、等离子体物理研究都有极其重大的意义。当前，离子温度和旋转速度的主要测量设备是CXRS系统，其主要部件由CCD相机和光谱仪组成。受限于光谱仪的口径和CCD相机的采集速度，离子温度和旋转速度测量的时间分辨约为0.1～1kHz之间，过低的时间分辨严重影响了科研人员对瞬态物理过程的理解。
发明内容
本发明需要解决的技术问题为：现有测量等离子体温度和旋转速度的系统时间分辨过低，严重影响了科研人员对瞬态物理过程的理解。
本发明的技术方案如下所述：
一种兆赫兹电荷交换谱诊断系统，包括：光学成像系统、传输光纤、大口径透射式体光栅光谱仪、传输光纤阵列、光电转换装置和数据采集与存储系统；
所述光学成像系统用于采集等离子体的辐射光谱，并将其聚焦在传输光纤，所述传输光纤设置于光学成像系统和大口径透射式体光栅光谱仪之间，用于将光学成像系统采集的光谱信号传送至大口径透射式体光栅光谱仪；
所述大口径透射式体光栅光谱仪包括准直透镜组、透射式体光栅、聚焦透镜组和光谱仪机械腔体，其中，准直透镜组一端直接连接至传输光纤，另一端固定于光谱仪机械腔体之上；所述准直透镜组为准直作用，将来自传输光纤的光谱转换成平行光；透射式体光栅固定于光谱仪机械腔体内部，入射面朝向准直透镜组，将准直透镜组输出的平行光色散；所述聚焦透镜组的一端也固定连接于光谱仪机械腔体之上，且面对透射式体光栅，用于接收来自透射式体光栅色散后的光谱信号，并将该光谱信号聚焦在传输光纤阵列上；所述传输光纤阵列将光谱引导到光电转换装置；光电转换装置用于将传输光纤阵列输出的光信号转换为电信号；
所述数据采集与存储系统与光电转换装置相连接，用于采集光电转换装置输出的电信号，并将该电信号存储，用于后续分析。
一种兆赫兹电荷交换谱诊断方法，包括以下步骤：
步骤1、光谱信号采集
使用光学成像系统接收等离子体辐射出的光谱信号，并将所述光谱信号通过传输光纤传输；
步骤2、信号传输
传输光纤将光学成像系统输出的光谱信号传输到透射式体光栅光谱仪中；
步骤3、分光处理
透射式体光栅光谱仪将接收到的光谱信号进行分光处理，获得所需的光谱信号后输出；
步骤4、光谱信号整合
传输光纤阵列接收透射式体光栅光谱仪输出的光谱信号，传输光纤阵列对光谱信号进行整合，并将整合后的光谱信号传输至光电转换装置；
步骤5、光电转换
光电转换装置将接收到的光谱信号进行光电转换，使之变为电信号；
步骤6、信号采集和存储
使用数据采集和存储系统对光电转换装置输出的电信号进行数据采集和存储，用于后续分析。
本发明的有益效果为：
本发明的系统，可靠性好，光谱分辨能力高，时间分辨能力强。克服了传统电荷交换复合谱系统测量离子温度和旋转速度时间分辨低的缺点，使离子温度和旋转速度时间分辨达到兆赫兹量级，实现该物理量测量质的飞跃。
附图说明
图1为本发明的兆赫兹电荷交换谱诊断系统组成示意图；
图2为本发明的兆赫兹电荷交换谱诊断方法流程图；
其中，1-等离子体，2-光学成像系统，3-传输光纤，4-大口径透射式体光栅光谱仪，5-传输光纤阵列，6-光电转换装置，7-数据采集与存储系统，8-准直透镜组，9-透射式体光栅，10-聚焦透镜组，11-光谱仪机械腔体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的兆赫兹电荷交换谱诊断系统进行详细说明。
传统的电荷交换复合谱诊断采用以CCD相机为光电转换装置。CCD相机的相素面积非常小，因此可以获得高的谱分辨；如果对多个空间通道同步测量，CCD相机将无法实现兆赫兹量级的光电转换。要提高电荷交换复合谱系统的采样率使其达到兆赫兹量级(极快电荷交换符合谱)，就必须使用其他光电转换装置，如光电倍增管(PMT)或雪崩二极管(APD)阵列。在多通道光电转换过程中，PMT/APD阵列的采样频率和效率可以优于CCD相机，然而PMT/APD相机芯片尺寸要远大于CCD相机芯片尺寸。为此，需要一个二维的光纤阵列与光栅耦合，将来自光栅的光谱引导至光电转换装置。光纤阵列除了传输光谱以外，还起到控制系统的光谱分辨的作用。为了保证光通量，需要使用较大尺寸的光纤，导致系统的光谱分辨较差，因此还需要配合角色散率大的透射式体光栅使用。透射式体光栅与传统光谱仪反射式光栅相比，可以有更大的角色散率。透射式体光栅、短焦距的透镜组、大尺寸的传输光纤以及兆赫兹量级的光电转换装置，保证了系统具有较大的光能量和很高的时间分辨。
具体如图1所示，包括：光学成像系统2、传输光纤3、大口径透射式体光栅光谱仪4、传输光纤阵列5、光电转换装置6和数据采集与存储系统7。
所述光学成像系统2用于采集等离子体1的辐射光谱，并将其聚焦在传输光纤3，所述传输光纤3设置于光学成像系统2和大口径透射式体光栅光谱仪4之间，用于将光学成像系统2采集的光谱信号传送至大口径透射式体光栅光谱仪4。
所述大口径透射式体光栅光谱仪4包括准直透镜组8、透射式体光栅9、聚焦透镜组10和光谱仪机械腔体11，其中，准直透镜组8一端直接连接至传输光纤3，另一端固定于光谱仪机械腔体11之上；所述准直透镜组8为准直作用，将来自传输光纤3的光谱转换成平行光。透射式体光栅9固定于光谱仪机械腔体11内部，入射面朝向准直透镜组8，将准直透镜组8输出的平行光色散。所述聚焦透镜组10的一端也固定连接于光谱仪机械腔体11之上，且面对透射式体光栅9，用于接收来自透射式体光栅9色散后的光谱信号，并将该光谱信号聚焦在传输光纤阵列5上。所述传输光纤阵列5将光谱引导到光电转换装置6。光电转换装置6用于将传输光纤阵列5输出的光信号转换为电信号。
所述数据采集与存储系统7与光电转换装置6相连接，用于采集光电转换装置6输出的电信号，并将该电信号存储，用于后续分析。
本发明还提供一种兆赫兹电荷交换谱诊断方法，具体流程如图2所示，包括以下步骤：
步骤1、光谱信号采集
使用光学成像系统接收等离子体辐射出的光谱信号，并将所述光谱信号通过传输光纤传输；
步骤2、信号传输
传输光纤将光学成像系统输出的光谱信号传输到透射式体光栅光谱仪中；
步骤3、分光处理
透射式体光栅光谱仪将接收到的光谱信号进行分光处理，获得所需的光谱信号后输出；
步骤4、光谱信号整合
传输光纤阵列接收透射式体光栅光谱仪输出的光谱信号，传输光纤阵列对光谱信号进行整合，并将整合后的光谱信号传输至光电转换装置；
步骤5、光电转换
光电转换装置将接收到的光谱信号进行光电转换，使之变为电信号；
步骤6、信号采集和存储
使用数据采集和存储系统对光电转换装置输出的电信号进行数据采集和存储，用于后续分析。
Claims (2)
1.一种兆赫兹电荷交换谱诊断系统，包括：光学成像系统(2)、传输光纤(3)、大口径透射式体光栅光谱仪(4)、传输光纤阵列(5)、光电转换装置(6)和数据采集与存储系统(7)；其特征在于：
所述光学成像系统(2)用于采集等离子体(1)的辐射光谱，并将其聚焦在传输光纤(3)，所述传输光纤(3)设置于光学成像系统(2)和大口径透射式体光栅光谱仪(4)之间，用于将光学成像系统(2)采集的光谱信号传送至大口径透射式体光栅光谱仪(4)；
所述大口径透射式体光栅光谱仪(4)包括准直透镜组(8)、透射式体光栅(9)、聚焦透镜组(10)和光谱仪机械腔体(11)，其中，准直透镜组(8)一端直接连接至传输光纤(3)，另一端固定于光谱仪机械腔体(11)之上；所述准直透镜组(8)为准直作用，将来自传输光纤(3)的光谱转换成平行光；透射式体光栅(9)固定于光谱仪机械腔体(11)内部，入射面朝向准直透镜组(8)，将准直透镜组(8)输出的平行光色散；所述聚焦透镜组(10)的一端也固定连接于光谱仪机械腔体(11)之上，且面对透射式体光栅(9)，用于接收来自透射式体光栅(9)色散后的光谱信号，并将该光谱信号聚焦在传输光纤阵列(5)上；所述传输光纤阵列(5)将光谱引导到光电转换装置(6)；光电转换装置(6)用于将传输光纤阵列(5)输出的光信号转换为电信号；
所述数据采集与存储系统(7)与光电转换装置(6)相连接，用于采集光电转换装置(6)输出的电信号，并将该电信号存储，用于后续分析。
2.一种兆赫兹电荷交换谱诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、光谱信号采集
使用光学成像系统接收等离子体辐射出的光谱信号，并将所述光谱信号通过传输光纤传输；
步骤2、信号传输
传输光纤将光学成像系统输出的光谱信号传输到透射式体光栅光谱仪中；
步骤3、分光处理
透射式体光栅光谱仪将接收到的光谱信号进行分光处理，获得所需的光谱信号后输出；
步骤4、光谱信号整合
传输光纤阵列接收透射式体光栅光谱仪输出的光谱信号，传输光纤阵列对光谱信号进行整合，并将整合后的光谱信号传输至光电转换装置；
步骤5、光电转换
光电转换装置将接收到的光谱信号进行光电转换，使之变为电信号；
步骤6、信号采集和存储
使用数据采集和存储系统对光电转换装置输出的电信号进行数据采集和存储，用于后续分析。
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| GR01 | Patent grant | ||
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