CN109387455A - 一种实时测量宽域等离子体密度的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于等离子体密度诊断技术，具体公开了一种实时测量宽域等离子体密度的方法及系统，搭建由激光光源，两个倍频晶体、调制器、数据处理单元等组成的系统，将激光光源，通过倍频方法转变成同轴传输的两束不同频率的光，利用调制技术和信号搬移技术将两束光通过被测量介质的相位差鉴别出来，并实时记录和输出，这个相位差与介质的待测密度有关,从而获得密度的实时测量结果，测量范围宽，测量束偏折小，无振动影响的等离子体电子密度测量方法和系统。

Description

一种实时测量宽域等离子体密度的方法及系统

技术领域

本发明属于等离子体密度诊断技术，具体涉及一种实时测量宽域等离子体密度的方法及测量系统。

背景技术

在低温(如线性装置)和高温(如托卡马克装置)等离子体物理研究中，等离子体电子密度的实时测量是装置运行和物理研究的最基本，也是最重要的诊断系统之一。特别是装置运行中需要不断获取密度信息用于密度的反馈控制，对测量系统就提出了具有一定时间分辨的实时信号输出的要求。

通常等离子体电子密度的测量采用的是双光束干涉方法：一束光通过等离子体，另一束光不通过等离子体，利用这两束光的相位差来获得等离子体的密度信息。由于满足测量条件的激光波长非常有限，一般很难用一套激光干涉仪系统同时满足低温和高温等离子体的密度测量。比如对于密度较低的等离子体(如托卡马克高温等离子体，10¹⁸m^-3＜ne≤10²⁰m^-3)通常选用远红外激光，激光波长较长，折射效应较高，当密度变化过快时，容易出现条纹记数丢失，使测量失败；对于密度较高的等离子体(如线性装置低温等离子体，10¹⁹m^-3＜ne≤10²²m^-3)通常选用短波长激光，但是探测波长短，系统的振动影响将不能忽略，必须用复杂的两个独立的激光组成的两套干涉仪系统才能正常工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种实时测量宽域等离子体密度的方法及装置，能够实时准确的获得广域的等离子体密度。

本发明的技术方案如下：

一种实时测量宽域等离子体密度的方法及系统，括如下步骤：

步骤1)将源光束通过倍频方法转变成同轴传输的两束不同频率的光，偏振方向互相垂直；

步骤2)将步骤1)得出的两束光通过调制器，使得与调制器偏振方向平行的倍频光相位被调制，源光不被调制，确定被测量介质前的相位；

步骤3)经过待测介质后，确定两束光的相位；

步骤4)通过倍频方法将步骤3的源光束产生第二个倍频光，并分别确定两束倍频光通过待测介质后的相位差；

步骤5)利用光通过该介质的相位差，确定待测介质的密度。

所述的步骤1)中初始光源波束偏振方向竖直，经过第一倍频晶体之后，产生一束偏振方向水平的第一倍频光，利用下式确定激光基波相位φ_激光和第一倍频晶体产生的倍频波相位φ_倍频光1

φ_激光＝ωt+ψ_{激光初始相位}

其中，ω为激光角频率，t为时间，ψ_{激光初始相位}为激光光源初始相位，ψ_{倍频光1初始相位}为第一倍频光初始相位。

所述的步骤2)中，通过调制解调器后，激光相位不变，第一倍频光被调制，其调制后的相位利用下式确定：

φ_{倍频光1调制后}＝2ωt+g sin(ω_{m调制频率}t)+ψ_{倍频光1初始相位}

其中，ω_{m调制频率}为调制器产生的调制频率。

所述的步骤3)具体为：

步骤3.1)待测介质即为等离子体，首先让激光和第一倍频光分别经过等离子体，之后，基波和倍频波的相位发生改变，利用下式确定此时基波和倍频波的相位：

其中，K＝e²n_eL/(2ε₀m_ec)，n_e为待测等离子体线平均密度，L为通过等离子体的距离，ε₀，m_e，c分别为介电常数，电子质量和光速，Δl为振动的幅度，g为调制幅度，ω_m为调制频率；

步骤3.2)激光和第一倍频光分别经过等离子体后再通过第二倍频晶体，利用下式确定第二倍频光相位

φ_{激光经过测量介质并倍频后}＝2ωt+2K/ω+4πωΔl/c+2ψ_{激光初始相位}。

所述的步骤4)中使源激光、第一倍频光和第二倍频光经过滤波片，激光产生的基波被滤光片滤去，两束倍频光的倍频波通过探测器混频，得到的探测信号I，利用下式确定该信号

所述的步骤5)具体为：

步骤5.1)从调制器接收两个方波参考信号，将上述方波信号变换为相位相差90度的正弦和余弦信号，然后通过数字乘法器将测量信号与这两个信号分别相乘，得到探测信号中频率为ω_m的信号幅值I_ωm和探测信号中频率为2ω_m的信号幅值I_2ωm；

步骤5.2)利用下式确定待测等离子体密度。

ψ₀＝2ψ_激光初相-ψ_{倍频光1初相}

其中，C＝4ωε₀m_ec/3e²L。

一种实时测量宽域等离子体密度的系统，包括激光光源，第一倍频晶体、调制器，第二倍频晶体、待测等离子体、滤光片、探测器和数据处理单元，所述的激光光源的光束依次垂直通过所述的第一倍频晶体、调制器、待测等离子体、第二倍频晶体、滤光片和探测器。

数据采集器从调制器接收两个方波参考信号，其幅值为5V、调制频率为ω_m和2ω_m，将上述方波信号变换为相位相差90度的正弦和余弦信号，然后通过数字乘法器将测量信号与这两个信号分别相乘，得到探测信号中频率为ω_m的信号幅值I_ωm和探测信号中频率为2ω_m的信号幅值I_2ωm。；所述的计算单元用于计算待测等离子体密度。

本发明的显著效果如下：将来自一台激光器的光束，通过倍频方法转变成同轴传输的两束不同频率的光，利用调制技术和信号搬移技术将两束光通过被测量介质的相位差鉴别出来，并实时记录和输出，这个相位差与介质的待测密度有关,从而获得密度的实时测量结果。测量范围宽，测量束偏折小，无振动影响的等离子体电子密度测量方法和系统。该系统结构简单，运行可靠，可以方便地应用于在役的磁约束聚变装置和低温等离子体装置。

附图说明

图1为本发明的等离子体密度实时测量系统示意图。

具体实施方式

下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，

步骤1)将源光束通过倍频方法转变成同轴传输的两束不同频率的光，偏振方向互相垂直；

步骤2)将步骤1得出的两束光通过调制器，使得与调制器偏振方向平行的倍频光相位被调制，源光不被调制，确定被测量介质前的相位；

步骤3)经过待测介质后，确定两束光的相位；

步骤4)通过倍频方法将步骤3的源光束产生第二个倍频光，并分别确定两束倍频光通过待测介质后的相位差；

这里的相位差是指第一次倍频光和第二次倍频光(也就是源光通过等离子体后再倍频的光)的相位相减；

步骤5)利用光通过该介质的相位差，确定待测介质的密度；

基于以上原理搭建了一套测量系统，包括激光光源，第一倍频晶体，调制器，第二倍频晶体、待测等离子体、滤光片、探测器和数据处理单元。其中激光光源的光束依次垂直通过第一倍频晶体、调制器、待测等离子体、第二倍频晶体、滤光片和探测器。

在步骤1)中：初始光源波束偏振方向竖直，经过第一倍频晶体之后，产生一束偏振方向水平的第一倍频光，利用下式确定激光基波相位φ_激光和第一倍频晶体产生的倍频波相位φ_倍频光1

φ_激光＝ωt+ψ_{激光初始相位}

其中ω为激光角频率，t为时间，ψ_{激光初始相位}为激光光源初始相位，ψ_{倍频光1初始相位}为第一倍频光初始相位。

在步骤2)中：通过调制解调器后，激光相位不变，第一倍频光被调制，其调制后的相位利用下式确定：

φ_{倍频光1调制后}＝2ωt+g sin(ω_{m调制频率}t)+ψ_{倍频光1初始相位}

其中，ω_{m调制频率}为调制器产生的调制频率。

在步骤3)中分两步实现。

步骤3.1)待测介质即为等离子体，首先让激光和第一倍频光分别经过等离子体，之后，基波和倍频波的相位发生改变，此时基波和倍频波的相位如下：

其中，K/ω为等离子体对波束产生的相位影响，其中K＝e²n_eL/(2ε₀m_ec)，n_e为待测等离子体线平均密度，L为通过等离子体的距离，ε₀，m_e，c分别为介电常数，电子质量和光速。2πωΔl/c为系统中机械振动造成的相位影响，其中Δl为振动的幅度。gsin(ω_mt)为调制器产生的相位，g为调制幅度，ω_m为调制频率。

步骤3.2)激光和第一倍频光分别经过等离子体后再通过第二倍频晶体。此时第一倍频光相位不变，基波再次产生一束水平偏振光，即为第二倍频光，其相位利用下式确定：

φ_{激光经过测量介质并倍频后}＝2ωt+2K/ω+4πωΔl/c+2ψ_{激光初始相位}

在步骤4)中，使源激光、第一倍频光和第二倍频光经过滤波片，激光产生的基波被滤光片滤去，两束倍频光的倍频波通过探测器混频，得到的探测信号I(这个信号是有一定强度的波动信号，波动的相位就是前面谈到的相位)I＝I_倍频光2+I_倍频光1＝A+Bcos(Φ_{激光经过测量介质并倍频后}-Φ_{倍频光1经过介质后})，最后推导得到下式

其中，C_2n为用傅里叶函数展开的与调制频率ω_m为偶数倍数的一系列频率函数的系数，C_2n-1为与调制频率ω_m为奇数倍数的一系列频率函数的系数，属于公知技术，这里不再赘述。

至此，系统机械振动造成的相位被抵消扣除，只留下与调制器基频和一系列倍频相关的信号。

在步骤5)中，通过数据处理单元首先计算和然后确定待测等离子体密度

数据处理单元包括，数据采集器和计算单元。

5.1)数据采集器从调制器接收两个方波参考信号，其幅值为5V、调制频率为ω_m和2ω_m，将上述方波信号变换为相位相差90度的正弦和余弦信号，然后通过数字乘法器将测量信号与这两个信号分别相乘，通过I_参考1得到I_参考1＝g sin(ω_mt),通过I_参考2得到I_参考2＝g cos(2ω_mt)

其中，为探测信号中频率为ω_m的信号幅值，为探测信号中频率为2ω_m的信号幅值。

5.2)在计算单元中，利用下式确定待测等离子体密度。

ψ₀＝2ψ_激光初相-ψ_{倍频光1初相}

其中，C＝4ωε₀m_ec/3e²L。

之后该密度数据可以实时通过数模变换传递给控制系统，用于密度反馈控制。

激光光源选用波长偏向于短波长(10.6微米或者1.06微米)，即可以满足低温和高温等离子体密度的测量范围，又可以克服系统振动和光折射的影响，属于宽域测量的干涉仪。

在测量信号的数据处理中，可用FPGA替代传统的锁相放大器，实现了信号识别和相位计算，提高了测量的带宽，减小了系统数据处理时间，实现了实时信号输出，该实时信号可用于等离子体放电中的密度反馈控制。

Claims (8)

1.一种实时测量宽域等离子体密度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)将源光束通过倍频方法转变成同轴传输的两束不同频率的光，偏振方向互相垂直；

步骤2)将步骤1)得出的两束光通过调制器，使得与调制器偏振方向平行的倍频光相位被调制，源光不被调制，确定被测量介质前的相位；

步骤3)经过待测介质后，确定两束光的相位；

步骤4)通过倍频方法将步骤3的源光束产生第二个倍频光，并分别确定两束倍频光通过待测介质后的相位差；

步骤5)利用光通过该介质的相位差，确定待测介质的密度。

2.如权利要求1所述的一种实时测量宽域等离子体密度的方法，其特征在于：所述的步骤1)中初始光源波束偏振方向竖直，经过第一倍频晶体之后，产生一束偏振方向水平的第一倍频光，利用下式确定激光基波相位φ_激光和第一倍频晶体产生的倍频波相位φ_倍频光1

φ_激光＝ωt+ψ_{激光初始相位}

其中，ω为激光角频率，t为时间，ψ_{激光初始相位}为激光光源初始相位，ψ_{倍频光1初始相位}为第一倍频光初始相位。

3.如权利要求2所述的一种实时测量宽域等离子体密度的方法，其特征在于，所述的步骤2)中，通过调制解调器后，激光相位不变，第一倍频光被调制，其调制后的相位利用下式确定：

φ_{倍频光1调制后}＝2ωt+gsin(ω_{m调制频率}t)+ψ_{倍频光1初始相位}

其中，ω_{m调制频率}为调制器产生的调制频率。

4.如权利要求3所述的一种实时测量宽域等离子体密度的方法，其特征在于，所述的步骤3)具体为：

步骤3.1)待测介质即为等离子体，首先让激光和第一倍频光分别经过等离子体，之后，基波和倍频波的相位发生改变，利用下式确定此时基波和倍频波的相位：

其中，K＝e²n_eL/(2ε₀m_ec)，n_e为待测等离子体线平均密度，L为通过等离子体的距离，ε₀，m_e，c分别为介电常数，电子质量和光速，Δl为振动的幅度，g为调制幅度，ω_m为调制频率；

步骤3.2)激光和第一倍频光分别经过等离子体后再通过第二倍频晶体，利用下式确定第二倍频光相位

φ_{激光经过测量介质并倍频后}＝2ωt+2K/ω+4πωΔl/c+2ψ_{激光初始相位}。

5.如权利要求4所述的一种实时测量宽域等离子体密度的方法，其特征在于，所述的步骤4)中使源激光、第一倍频光和第二倍频光经过滤波片，激光产生的基波被滤光片滤去，两束倍频光的倍频波通过探测器混频，得到的探测信号I，利用下式确定该信号

6.如权利要求5所述的一种实时测量宽域等离子体密度的方法，其特征在于，所述的步骤5)具体为：

步骤5.1)从调制器接收两个方波参考信号，将上述方波信号变换为相位相差90度的正弦和余弦信号，然后通过数字乘法器将测量信号与这两个信号分别相乘，得到探测信号中频率为ω_m的信号幅值和探测信号中频率为2ω_m的信号幅值

步骤5.2)利用下式确定待测等离子体密度。

ψ₀＝2ψ_激光初相-ψ_{倍频光1初相}

其中，C＝4ωε₀m_ec/3e²L。

7.一种实时测量宽域等离子体密度的系统，其特征在于：包括激光光源，第一倍频晶体、调制器，第二倍频晶体、待测等离子体、滤光片、探测器和数据处理单元，所述的激光光源的光束依次垂直通过所述的第一倍频晶体、调制器、待测等离子体、第二倍频晶体、滤光片和探测器。

8.如权利要求7所述的一种实时测量宽域等离子体密度的系统，其特征在于：所述的数据处理单元包括数据采集器和计算单元；

数据采集器从调制器接收两个方波参考信号，其幅值为5V、调制频率为ω_m和2ω_m，将上述方波信号变换为相位相差90度的正弦和余弦信号，然后通过数字乘法器将测量信号与这两个信号分别相乘，得到探测信号中频率为ω_m的信号幅值和探测信号中频率为2ω_m的信号幅值所述的计算单元用于计算待测等离子体密度。