CN109883545A - 一种汤姆逊散射诊断激光能量的实时监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汤姆逊散射诊断激光能量的实时监测系统，要解决的是现有汤姆逊散射诊断激光能量时的问题。本产品包括激光光路系统、散射光收集系统以及采集控制系统，激光光路系统包括激光器、多面反射镜以及吸食器，散射光收集系统包括聚焦镜头、传导光纤和积分球；采集控制系统包括光电转换探测器、信号线、采集机箱、通信线缆以及上位机。本产品将聚焦镜头以及光电转换探测器均设置在反射镜后方，在对激光束能量进行实时监测的同时，完全不影响光路的正常工作；本产品能实时监测光路中激光束脉冲的能量并将其存储起来并通过串口发送至上位机，工作人员能通过上位机及时查看激光束的当前能量，使用方便，减少工作人员工作量，工作效率高。

Description

一种汤姆逊散射诊断激光能量的实时监测系统

技术领域

本发明涉及激光能量实时监测领域，具体是一种汤姆逊散射诊断激光能量的实时监测系统。

背景技术

托卡马克，是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。它的名字Tokamak来源于环形、真空室、磁、线圈。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。

目前，激光汤姆逊散射诊断系统是托卡马克实验装置的重要诊断之一。激光汤姆逊散射诊断是利用高能脉冲激光穿越等离子体的内部，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。

想要通过汤姆逊散射来诊断托卡马克内部的电子温度与密度，就必须要向托卡马克内部射入高能量脉冲激光。但是，由于实际条件的限制，激光器往往距离托卡马克距离较远，只能通过多面反射镜以及透镜来控制激光脉冲的光路并使其进入托卡马克。在这个过程中，常常由于光路较长、激光器工作状态异常、反射镜不能全部反射等原因导致进入托卡马克的激光能量降低而导致测量发射较大的误差。而工作人员往往不能及时察觉到激光能量已经出现异常，这就为人们的使用带来了不便。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种汤姆逊散射诊断激光能量的实时监测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种汤姆逊散射诊断激光能量的实时监测系统，包括激光光路系统、散射光收集系统以及采集控制系统，所述激光光路系统包括激光器、多面反射镜以及吸食器，激光器能发射激光脉冲，多面反射镜用于保证激光脉冲能被导入进入托卡马克，并从托卡马克顶部射出，最终进入吸食器；所述散射光收集系统包括聚焦镜头、传导光纤和积分球，聚焦镜头设置在反射镜的后方并通过传导光纤与积分球连接，积分球通过传导光纤与后端的采集控制系统连接，散射光收集系统能收集从反射镜背面透过的激光脉冲，并将其均匀照度后送至采集控制系统；所述采集控制系统包括光电转换探测器、信号线、采集机箱、通信线缆以及上位机，光电转换探测器通过信号线与采集机箱连接，采集机箱通过通信线缆与上位机连接，采集控制系统能实时采集散射光收集系统送来的激光脉冲能量并反演当前激光脉冲能量。

作为本发明实施例进一步的方案：聚焦镜头与反射镜平行放置，聚焦镜头与反射镜的间距为0.1-1cm，聚焦镜头能将从反射镜透射过来的少量激光进行收集并通过将其送至积分球。

作为本发明实施例进一步的方案：聚焦镜头包括聚焦透镜、固定卡扣以及外壳，聚焦透镜与反射镜面积相当或稍大，聚焦透镜的焦点落在传导光纤的纤芯处，聚焦透镜能将从反射镜投射过来的少量激光进行聚焦，被聚焦的激光刚好通过传导光纤的纤芯而进入传导光纤。

作为本发明实施例进一步的方案：传导光纤的纤芯的直径为500μm，大直径的传导光纤能有利于收集并传导更多的激光信号。

作为本发明实施例进一步的方案：积分球位于聚焦镜头和光电转换探测器之间，积分球设置有用于固定传导光纤的卡扣或螺纹，积分球通过传导光纤分别与聚焦镜头和光电转换探测器连接，积分球能将进入积分球的光经过内壁涂层多次反射，在内壁上形成均匀照度，再用传导光纤将积分球内的光线取出，这样能有效提高测量的准确度。

作为本发明实施例进一步的方案：光电转换探测器包括光电转换二极管、前置电路板和支架，光电转换二极管能将入射的光信号转换为相应的电信号，前置电路板包括前置放大器、前置整形电路和电源滤波电路，前置放大器、前置整形电路和电源滤波电路按照电路顺序串联，前置放大器能将电信号进行初步的放大，前置整形电路能对放大后的信号进行初步的滤波整形，电源滤波电路能对输入电源进行滤波，减少电源对电路的不良影响。

作为本发明实施例进一步的方案：采集机箱内部设置有与聚焦镜头相同数量的采集卡，采集机箱内部还设置有一个通信控制电路板，采集卡与前端的光电转换探测器通过信号线连接，通信控制电路板通过通信线缆与上位机连接，采集卡能对输入的信号进行实时采集，通信控制电路板能与上位机进行通信，并控制采集卡的工作状态、实时存储当前信号。

作为本发明实施例进一步的方案：采集卡包括信号调理电路、模数转换电路、FPGA（现场可编程门阵列）、高速时钟电路和电源管理电路，信号调理电路、模数转换电路和FPGA沿电路顺序串联，高速时钟电路分别与模数转换电路和FPGA连接，电源管理电路分别与信号调理电路、模数转换电路、FPGA和高速时钟电路连接，采集卡信号调理电路能对信号进行滤波、整形，模数转换电路能通过ADC（模数转换器）对当前的模拟信号信号进行采样并输出数字信号，FPGA读取当前的数字信号并对数字信号进行快速地数字信号处理并反演出激光束的能量，并将其送至后级的单片机，高速时钟电路能为模数转换电路、FPGA提供相应的时钟信号，电源管理电路能为采集卡提供稳定可靠的电源。

作为本发明实施例进一步的方案：通信控制电路板包括单片机、存储器、时钟电路、电源管理电路和串口通信电路,存储器和时钟电路均与单片机连接，单片机与上位机通过串口通信电路连接，电源管理电路分别与单片机、存储器、时钟电路和串口通信电路连接，通信控制电路板的单片机能实时与上位机通信并控制采集机箱的工作状态，存储器能用于存储测得的激光束能量，串口通信电路能与上位机实现相互通信。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果是：

本产品具有结构简单、设计合理、安装维护快捷的优点；

本产品将聚焦镜头以及光电转换探测器均设置在反射镜后方，在对激光束能量进行实时监测的同时，完全不影响光路的正常工作；

本产品能实时监测光路中激光束脉冲的能量并将其存储起来并通过串口发送至上位机，工作人员能通过上位机及时查看激光束的当前能量，具有使用方便、减少工作人员工作量以及工作效率高的优点。

附图说明

图1为汤姆逊散射诊断激光能量的实时监测系统的结构示意图。

图2为汤姆逊散射诊断激光能量的实时监测系统中聚焦镜头的结构示意图。

图3为汤姆逊散射诊断激光能量的实时监测系统中采集机箱的结构示意图。

图4为汤姆逊散射诊断激光能量的实时监测系统中光电转换探测器的结构示意图。

其中：1-1号反射镜；2-2号反射镜；3-3号反射镜；4-4号反射镜；5-5号反射镜；6-6号反射镜；7-7号反射镜；8-吸食器；9-激光器；10-激光束光路；11-聚焦镜头；12-传导光纤；13-积分球；14-光电转换探测器；15-信号线；16-采集机箱；17-通信线缆；18-上位机；19-托卡马克；20-聚焦透镜；21-纤芯；22-外壳；23-光纤头；24-固定卡扣；25-光电转换二极管；26-支架；27-前置电路板。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

实施例1

一种汤姆逊散射诊断激光能量的实时监测系统，包括激光光路系统、散射光收集系统以及采集控制系统，所述激光光路系统包括激光器9、多面反射镜以及吸食器8，激光器9能发射激光脉冲，多面反射镜用于保证激光脉冲能被导入进入托卡马克19，并从托卡马克19的顶部射出，最终进入吸食器8；所述散射光收集系统包括聚焦镜头11、传导光纤12和积分球13，聚焦镜头11设置在反射镜的后方并通过传导光纤12与积分球13连接，积分球13通过传导光纤12与后端的采集控制系统连接，散射光收集系统能收集从反射镜背面透过的激光脉冲，并将其均匀照度后送至采集控制系统；所述采集控制系统包括光电转换探测器14、信号线15、采集机箱16、通信线缆17以及上位机18，光电转换探测器14通过信号线15与采集机箱16连接，采集机箱16通过通信线缆17与上位机18连接，采集控制系统能实时采集散射光收集系统送来的激光脉冲能量并反演当前激光脉冲能量。

为了减少电源对电路的不良影响，光电转换探测器14包括光电转换二极管25、前置电路板27和支架26，光电转换二极管25能将入射的光信号转换为相应的电信号，前置电路板27包括前置放大器、前置整形电路和电源滤波电路，前置放大器、前置整形电路和电源滤波电路按照电路顺序串联，前置放大器能将电信号进行初步的放大，前置整形电路能对放大后的信号进行初步的滤波整形，电源滤波电路能对输入电源进行滤波。

采集机箱16内部设置有与聚焦镜头11相同数量的采集卡，采集机箱内部还设置有一个通信控制电路板，采集卡与前端的光电转换探测器14通过信号线15连接，通信控制电路板通过通信线缆17与上位机18连接，采集卡能对输入的信号进行实时采集，通信控制电路板能与上位机18进行通信，并控制采集卡的工作状态、实时存储当前信号。

进一步的，采集卡包括信号调理电路、模数转换电路、FPGA（现场可编程门阵列）、高速时钟电路和电源管理电路，信号调理电路、模数转换电路和FPGA沿电路顺序串联，高速时钟电路分别与模数转换电路和FPGA连接，电源管理电路分别与信号调理电路、模数转换电路、FPGA和高速时钟电路连接，采集卡信号调理电路能对信号进行滤波、整形，模数转换电路能通过ADC（模数转换器）对当前的模拟信号信号进行采样并输出数字信号，FPGA读取当前的数字信号并对数字信号进行快速地数字信号处理并反演出激光束的能量，并将其送至后级的单片机，高速时钟电路能为模数转换电路、FPGA提供相应的时钟信号，电源管理电路能为采集卡提供稳定可靠的电源。

为了便于通信，通信控制电路板包括单片机、存储器、时钟电路、电源管理电路和串口通信电路,存储器和时钟电路均与单片机连接，单片机与上位机18通过串口通信电路连接，电源管理电路分别与单片机、存储器、时钟电路和串口通信电路连接，通信控制电路板的单片机能实时与上位机18通信并控制采集机箱16的工作状态，存储器能用于存储测得的激光束能量，串口通信电路能与上位机18实现相互通信。

实施例2

一种汤姆逊散射诊断激光能量的实时监测系统，包括激光光路系统、散射光收集系统以及采集控制系统，所述激光光路系统包括激光器9、7面反射镜以及吸食器8，7面反射镜包括1号反射镜1、2号反射镜2、3号反射镜3、4号反射镜4、5号反射镜5、6号反射镜6和7号反射镜7，激光器9能发射激光脉冲，反射镜用于保证激光脉冲能被导入进入托卡马克19，并从托卡马克19顶部射出，最终进入吸食器8；所述散射光收集系统包括聚焦镜头11、传导光纤12和积分球13，聚焦镜头11设置在1号反射镜1、6号反射镜6和7号反射镜7的后方并通过传导光纤12与积分球13连接，积分球13通过传导光纤12与后端的采集控制系统连接，散射光收集系统能收集从反射镜背面透过的激光脉冲，并将其均匀照度后送至采集控制系统；所述采集控制系统包括光电转换探测器14、信号线15、采集机箱16、通信线缆17以及上位机18，光电转换探测器14通过信号线15与采集机箱16连接，采集机箱16通过通信线缆17与上位机18连接，采集控制系统能实时采集散射光收集系统送来的激光脉冲能量并反演当前激光脉冲能量。

聚焦镜头11分别与1号反射镜1、6号反射镜6和7号反射镜7平行放置，聚焦镜头11与1号反射镜1、6号反射镜6和7号反射镜7的间距为0.1-1cm，聚焦镜头11能将从反射镜透射过来的少量激光进行收集并将其送至积分球13。

为了更好的聚焦，聚焦镜头11包括聚焦透镜20、固定卡扣24以及外壳22，聚焦透镜20与反射镜面积相当或稍大，聚焦透镜20的焦点落在传导光纤12的纤芯21处，聚焦透镜20能将从反射镜投射过来的少量激光进行聚焦，被聚焦的激光刚好通过传导光纤12的纤芯21而进入传导光纤12。

为了收集和传导更多的激光信号，传导光纤12的纤芯21的直径为500μm。

为了提高测量的准确度，积分球13位于聚焦镜头11和光电转换探测器14之间，积分球13上设置有用于固定传导光纤12的卡扣或螺纹，积分球13通过传导光纤12分别与聚焦镜头11和光电转换探测器14连接，积分球13能将进入积分球13的光经过内壁涂层多次反射，在内壁上形成均匀照度，再用传导光纤12将积分球13内的光线取出，可以有效的提高测量的准确度。

本实施例能实现实时对汤姆逊散射诊断系统中的激光能量进行实时监测并将测得能量存储起来并显示在上位机18，具有实时监测、测量准确快速、使用方便的优点。

本发明实施例的工作原理是：激光器9能根据实际需求发射相应的激光脉冲，激光脉冲在多面反射镜的调节下进入托卡马克19，再从托卡马克19顶部射出，最终再进入吸食器8。激光脉冲在等离子体中传播时,将激起电子或离子作受迫振动,从而发出次级辐射。自由电子在电磁波辐射场的作用下作受迫振动,发射出次级电磁辐射,形成散射波的现象,称为汤姆逊散射。通过对次级电磁辐射的测量，能够计算出等离子体中电子的温度和密度。

激光在空气中传播时，需要通过反射镜来调整光路，形成完整的激光束光路10。但是反射镜并不能做到100%反射，总有少量的激光会从反射镜后端透过。此时，将聚焦镜头11在反射镜后方，聚焦镜头11内部设置有聚焦透镜20以及光纤头23。聚焦镜头11的焦点落在光纤头23的纤芯21上。少量的激光被聚焦镜头11聚焦并通过纤芯21进入传导光纤12。传导光纤12与积分球13连接，积分球13上设置有固定传导光纤12的卡扣或者螺纹。被收集起来的激光在积分球13内经过内壁涂层多次反射，在内壁上形成均匀照度。然后再用传导光纤12将均匀照度的激光从积分球13内取出并送至光电转换探测器14。

光电转换探测器14内置光电转换二极管25和前置电路板27。光电转换二极管25包括多种探测器，例如硅光电二极管、硅APD（雪崩光电二极管）、铟镓砷APD等。光电转换二极管25能将入射的光信号转换为相应的电信号。前置电路板27包括前置放大器、前置整形电路、电源滤波电路。前置放大电路能将电信号进行初步的放大，前置整形电路能对放大后的信号进行初步的滤波整形，电源滤波电路能对输入电源进行滤波，减少电源对电路的不良影响。经放大、整形、滤波后的电信号通过信号线送至采集机箱进行采集。

采集机箱16内部设置有与聚焦镜头11相同数量的采集卡和一个通信控制电路板，每一个采集卡和一个前端的聚焦镜头11、光电转换探测器14相对应。采集卡与前端的光电转换探测器14通过信号线15连接，通信控制电路板通过串口与上位机18连接，采集卡能对输入的信号进行实时采集，通信控制电路板能与上位机18进行通信，并控制采集卡的工作状态、实时存储当前信号。

每张采集卡包括信号调理电路、模数转换电路、CPLD（复杂可编程逻辑器件）、高速时钟电路和电源管理电路，通信控制电路板包括单片机、存储器、时钟电路、电源管理电路和串口通信电路，采集卡信号调理电路能对信号进行滤波、整形，模数转换电路能通过ADC对当前的模拟信号信号进行采样并输出数字信号，CPLD读取当前的数字信号并对数字信号进行快速地数字信号处理并反演出激光束的能量，并将其送至后级的单片机，高速时钟电路能为模数转换电路、CPLD提供相应的时钟信号，电源管理电路能为采集卡提供稳定可靠的电源，通信控制电路板的单片机能实时与上位机18通信并控制采集机箱16的工作状态，存储器能用于存储测得的激光束能量，串口通信电路能与上位机18实现相互通信。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种汤姆逊散射诊断激光能量的实时监测系统，包括激光光路系统、散射光收集系统以及采集控制系统，其特征在于，所述激光光路系统包括激光器（9）、多面反射镜以及吸食器（8），所述散射光收集系统包括聚焦镜头（11）、传导光纤（12）和积分球（13），聚焦镜头（11）设置在反射镜的后方并通过传导光纤（12）与积分球（13）连接，积分球（13）通过传导光纤（12）与后端的采集控制系统连接，所述采集控制系统包括光电转换探测器（14）、信号线（15）、采集机箱（16）、通信线缆（17）以及上位机（18），光电转换探测器（14）通过信号线（15）与采集机箱（16）连接，采集机箱（16）通过通信线缆（17）与上位机（18）连接。

2.根据权利要求1所述的汤姆逊散射诊断激光能量的实时监测系统，其特征在于，所述聚焦镜头（11）与反射镜平行放置，聚焦镜头（11）与反射镜的间距为0.1-1cm。

3.根据权利要求1或2所述的汤姆逊散射诊断激光能量的实时监测系统，其特征在于，所述聚焦镜头（11）包括聚焦透镜（20）、固定卡扣（24）以及外壳（22）。

4.根据权利要求1所述的汤姆逊散射诊断激光能量的实时监测系统，其特征在于，所述传导光纤（12）的纤芯（21）的直径为500μm。

5.根据权利要求1所述的汤姆逊散射诊断激光能量的实时监测系统，其特征在于，所述积分球（13）位于聚焦镜头（11）和光电转换探测器（14）之间，积分球（13）设置有用于固定传导光纤（12）的卡扣或螺纹，积分球（13）通过传导光纤（12）分别与聚焦镜头（11）和光电转换探测器（14）连接。

6.根据权利要求1所述的汤姆逊散射诊断激光能量的实时监测系统，其特征在于，所述光电转换探测器（14）包括光电转换二极管（25）、前置电路板（27）和支架（26），前置电路板（27）包括前置放大器、前置整形电路和电源滤波电路，前置放大器、前置整形电路和电源滤波电路按照电路顺序串联。

7.根据权利要求1或5所述的汤姆逊散射诊断激光能量的实时监测系统，其特征在于，所述采集机箱（16）内部设置有与聚焦镜头（11）相同数量的采集卡，采集机箱（16）内部还设置有一个通信控制电路板，采集卡与前端的光电转换探测器（14）通过信号线（15）连接，通信控制电路板通过通信线缆（17）与上位机（18）连接。

8.根据权利要求7所述的汤姆逊散射诊断激光能量的实时监测系统，其特征在于，所述采集卡包括信号调理电路、模数转换电路、FPGA、高速时钟电路和电源管理电路，信号调理电路、模数转换电路和FPGA沿电路顺序串联，高速时钟电路分别与模数转换电路和FPGA连接，电源管理电路分别与信号调理电路、模数转换电路、FPGA和高速时钟电路连接。

9.根据权利要求7所述的汤姆逊散射诊断激光能量的实时监测系统，其特征在于，所述通信控制电路板包括单片机、存储器、时钟电路、电源管理电路和串口通信电路,存储器和时钟电路均与单片机连接，单片机与上位机（18）通过串口通信电路连接，电源管理电路分别与单片机、存储器、时钟电路和串口通信电路连接。