CN111880319A - 一种带有原子陷波滤波器的汤姆逊散射诊断系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带有原子陷波滤波器的汤姆逊散射诊断系统，属于等离子体物理诊断技术领域，包括激光器及光路传输系统、ASE滤波器、原子陷波滤波器系统以及采集系统，所述激光器及光路传输系统包括激光器以及多面反射镜；所述ASE滤波器包括两组空间滤波器以及多面三棱镜；所述原子陷波滤波器系统包括钠蒸气吸收单元以及两面透镜；所述采集系统包括探测器、采集装置以及工控机，本发明能使用汤姆逊散射诊断系统对等离子体中的电子温度密度进行诊断，具有测量准确、精度高以及灵敏度高的优点。

Description

一种带有原子陷波滤波器的汤姆逊散射诊断系统
技术领域
本发明涉及等离子体诊断技术领域，具体的说涉及一种带有原子陷波滤波器的汤姆逊散射诊断系统。
背景技术
等离子体(plasma)又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体，其运动主要受电磁力支配，并表现出显著的集体行为。它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间、空间物理、地球物理等科学的进一步发展提供了新的技术和工艺。
等离子体装置用于产生等离子体。激光汤姆逊散射诊断系统是等离子体装置的重要诊断之一，用于测量电子的温度和密度。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。
但是，如果想要通过汤姆逊散射的方式对等离子体进行探测，则需要向等离子体装置的打入激光。但是由于装置内的等离子体密度低、温度低导致散射光强度很弱，并伴随着极强的杂散光。这样，想要通过探测器直接探测散射光则存在着极大的难度，并且测得的数据精度低、可靠性不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带有原子陷波滤波器的汤姆逊散射诊断系统，用以克服上述问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种带有原子陷波滤波器的汤姆逊散射诊断系统，包括激光器及光路传输系统、ASE滤波器、原子陷波滤波器系统以及采集系统，所述激光器及光路传输系统包括激光器、多面反射镜、聚焦透镜以及吸食器；
所述激光器发出的激光经ASE滤波器、多面反射镜再被聚焦透镜聚焦后进入等离子体装置，最终进入吸食器；
所述ASE滤波器包括两组空间滤波器、20面三棱镜以及一面反射镜，激光依次经过第一台空间滤波器、20面三棱镜、反射镜以及第二台空间滤波器；所述空间滤波器包括两面凸透镜以及一个小孔，两面透镜的焦点重合，小孔设置在两面凸透镜之间的焦点上，激光经凸透镜聚焦后，经过小孔，再经凸透镜还原成激光光束；所述20面三棱镜分为四组，每组三棱镜均为5面，相邻棱镜的角度为120.52°，激光的入射角度为59.74°；
所述原子陷波滤波器系统包括钠蒸气吸收单元以及两面透镜，钠蒸气吸收单元设置在两面透镜之间，所述钠蒸气吸收单元包括烤箱、原子陷波滤波装置；所述原子陷波滤波装置设置在烤箱内部，烤箱的正面、左右两个侧面分别设置有进气口，所述烤箱的正面、背面设置有玻璃窗口，玻璃窗口的内外表面涂有减反射涂层；所述原子陷波滤波装置包括不锈钢三通器件、两个蓝宝石窗口、冷却装置以及阀门，两个蓝宝石窗口设置在不锈钢三通器件的两侧，阀门设置在不锈钢三通器件的中间通道，冷却装置设置在不锈钢三通器件的中间通道的外表面；
所述采集系统包括探测器、采集装置以及工控机。
进一步的，所述激光器发出的激光的波长为589nm。
进一步的，所述三棱镜的透过率大于90％。
进一步的，所述反射镜的反射率大于99％。
进一步的，所述不锈钢三通器件内部充满氩蒸汽与钠蒸汽，钠蒸气的工作温度为230-270℃。
进一步的，所述探测器(10)为APD阵列探测器，探测波段为300nm-900nm。
本发明的有益效果是：
(1)本发明具有结构简单、设计合理、安装维护快捷的优点；
(2)本发明的技术方案中，激光的传输光路设置有ASE滤波器，ASE滤波器能有效对激光进行滤波，降低激光中的杂散光，提高激光散射度；
(3)本发明的技术方案中，散射光经过原子滤波系统进行滤波，有效减少散射光中的杂散光，提高信噪比，提高测量的精度与准确度；
(4)本发明的技术方案中，探测器采用APD阵列探测器，阵列探测器具有空间分辨率高、精度高的优点，能有效提高测量结果的精度与准确度。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是本发明ASE滤波器的结构示意图；
图3是本发明原子陷波滤波器系统的结构示意图；
图4是本发明ASE滤波器的棱镜排列方式的结构示意图。
图中，1-激光器；2-多面反射镜；3-ASE滤波器；4-聚焦透镜；5-等离子体装置；6-吸食器；7-透镜；8-钠蒸气吸收单元；9-透镜；10-探测器；11-采集装置；12-工控机；13-空间滤波器；14-空间滤波器；15-反射镜；16-凸透镜；17-小孔；18-凸透镜；19-烤箱；20-进气口；21-进气口；22-进气口；23-玻璃窗口；24-玻璃窗口；25-不锈钢三通器件；26-蓝宝石窗口；27-蓝宝石窗口；28-冷却装置；29-阀门；30-减反射涂层。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1，图1是本发明的系统结构示意图；图2是本发明ASE滤波器的结构示意图；图3是本发明原子陷波滤波器系统的结构示意图；图4是本发明ASE滤波器的棱镜排列方式的结构示意图。
图1示出了根据本发明的实施例的结构框图，从图中可以看出，一种带有原子陷波滤波器的汤姆逊散射诊断系统，包括激光器及光路传输系统、ASE滤波器、原子陷波滤波器系统以及采集系统，所述激光器及光路传输系统包括激光器1、多面反射镜2、聚焦透镜4以及吸食器6。
所述激光器1发出的激光经ASE滤波器3、多面反射镜2再被聚焦透镜4聚焦后进入等离子体装置5，最终进入吸食器6。激光器1能产生波长为589nm的高能激光，ASE滤波器3能对激光进行滤波，有效提高激光的杂散度。多面反射镜2用于调整激光光路，保证激光能从等离子体装置5边界射入并打入吸食器6。聚焦镜头4用于使激光聚焦，保证激光成细长状打入等离子体装置5，能有效提高激光单位面积的能量，提高散射光的强度。
所述ASE滤波器3包括两组空间滤波器13、14、20面三棱镜以及一面反射镜15，激光依次经过第一台空间滤波器13、20面三棱镜、反射镜15以及第二台空间滤波器14；所述空间滤波器13、14包括两面凸透镜1618以及一个小孔17，两面透镜1618的焦点重合，小孔17设置在两面凸透镜1618之间的焦点上，激光经凸透镜16聚焦后，经过小孔17，再经凸透镜18还原成激光光束。空间滤波器能提高激光进行过滤，减少杂散光。
所述20面三棱镜分为四组，每组三棱镜均为5面，相邻棱镜的角度为120.52°，激光的入射角度为59.74°。
所述原子陷波滤波器系统包括钠蒸气吸收单元8以及两面透镜7、9，钠蒸气吸收单元8设置在两面透镜79之间，所述钠蒸气吸收单元8包括烤箱19、原子陷波滤波装置；所述原子陷波滤波装置设置在烤箱19内部，烤箱19的正面、左右两个侧面分别设置有进气口20-22，所述烤箱19的正面、背面设置有玻璃窗口23、24，玻璃窗口23、24的内外表面涂有减反射涂层30；减反射涂层30能有效提高光的通过率，提高信噪比。所述原子陷波滤波装置包括不锈钢三通器件25、两个蓝宝石窗口26、27、冷却装置28以及阀门29，两个蓝宝石窗口26、27设置在不锈钢三通器件25的两侧，阀门29设置在不锈钢三通器件25的中间通道，冷却装置28设置在不锈钢三通器件25的中间通道的外表面；原子陷波滤波装置用于过滤掉散射光的杂散光，提高信噪比。
所述采集系统包括探测器10、采集装置11以及工控机12。
所述激光器1发出的激光的波长为589nm。
所述三棱镜的透过率大于90％。
所述反射镜15的反射率大于99％。
所述不锈钢三通器件25内部充满氩蒸汽与钠蒸汽，钠蒸气的工作温度为230-270℃。
所述探测器10为APD阵列探测器，探测波段为300nm-900nm。
工作原理：激光器1能产生用于589nm的高能激光。高能激光能与等离子体中的电子相互作用并产生次级光谱。多面反射镜2用于调整激光光路，保证激光能从等离子体装置5边界射入并打入吸食器6。吸食器6一般呈牛角状，用于吸收出射的激光。聚焦镜头4用于使激光聚焦，保证激光成细长状打入等离子体装置5，能有效提高激光单位面积的能量，提高散射光的强度。ASE滤波器3用于滤除激光中的杂散光，降低激光的杂散度，能有效提高激光的传输效率，提高散射光的信噪比。从等离子体装置5中射出的散射光经过透镜7被收集，并进入钠蒸气吸收单元8进行滤波。经滤波后的散射光经过透镜9的聚焦再进入探测器10进行光电转换。转换后的电信号被采集装置11进行，采集后的数字信号送入工控机12进行处理。在钠蒸气吸收单元8中，烤箱19用于对内部的原子陷波滤波器装置进行加热，保证钠以蒸汽的形式存在。烤箱19上的进气口20-22用于空气流通。冷却装置28能对不锈钢三通器件25的中间管道进行冷却，保证钠蒸气在不锈钢三通器件25内的流通。阀门29关闭时能保证不锈钢三通器件25的密封性。散射光的杂散光主要是是波长为589nm的光，当散射光进入不锈钢三通器件25时，589nm的杂散光激发钠原子的D2激发线。钠原子则吸收掉589nm波长的杂散光。通过这种方式，钠蒸气吸收单元8能有效吸收杂散光，提高散射光的信噪比，提高测量精度。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (6)

1.一种带有原子陷波滤波器的汤姆逊散射诊断系统，其特征在于，包括激光器及光路传输系统、ASE滤波器、原子陷波滤波器系统以及采集系统，所述激光器及光路传输系统包括激光器(1)、多面反射镜(2)、聚焦透镜(4)以及吸食器(6)；
所述激光器(1)发出的激光经ASE滤波器(3)、多面反射镜(2)再被聚焦透镜(4)聚焦后进入等离子体装置(5)，最终进入吸食器(6)；
所述ASE滤波器(3)包括两组空间滤波器(13、14)、20面三棱镜以及一面反射镜(15)，激光依次经过第一台空间滤波器(13)、20面三棱镜、反射镜(15)以及第二台空间滤波器(14)；所述空间滤波器(13、14)包括两面凸透镜(16)(18)以及一个小孔(17)，两面透镜(16)(18)的焦点重合，小孔(17)设置在两面凸透镜(16)(18)之间的焦点上，激光经凸透镜(16)聚焦后，经过小孔(17)，再经凸透镜(18)还原成激光光束；所述20面三棱镜分为四组，每组三棱镜均为5面，相邻棱镜的角度为120.52°，激光的入射角度为59.74°；
所述原子陷波滤波器系统包括钠蒸气吸收单元(8)以及两面透镜(7)(9)，钠蒸气吸收单元(8)设置在两面透镜(7)(9)之间，所述钠蒸气吸收单元(8)包括烤箱(19)、原子陷波滤波装置；所述原子陷波滤波装置设置在烤箱(19)内部，烤箱(19)的正面、左右两个侧面分别设置有进气口(20-22)，所述烤箱(19)的正面、背面设置有玻璃窗口(23)(24)，玻璃窗口(23)(24)的内外表面涂有减反射涂层(30)；所述原子陷波滤波装置包括不锈钢三通器件(25)、两个蓝宝石窗口(26)(27)、冷却装置(28)以及阀门(29)，两个蓝宝石窗口(26)(27)设置在不锈钢三通器件(25)的两侧，阀门(29)设置在不锈钢三通器件(25)的中间通道，冷却装置(28)设置在不锈钢三通器件(25)的中间通道的外表面；
所述采集系统包括探测器(10)、采集装置(11)以及工控机(12)。
2.根据权利要求1所述的一种带有原子陷波滤波器的汤姆逊散射诊断系统，其特征在于：所述激光器(1)发出的激光的波长为589nm。
3.根据权利要求1所述的一种带有原子陷波滤波器的汤姆逊散射诊断系统，其特征在于：所述三棱镜的透过率大于90％。
4.根据权利要求1所述的一种带有原子陷波滤波器的汤姆逊散射诊断系统，其特征在于：所述反射镜(15)的反射率大于99％。
5.根据权利要求1所述的一种带有原子陷波滤波器的汤姆逊散射诊断系统，其特征在于：所述不锈钢三通器件(25)内部充满氩蒸汽与钠蒸汽，钠蒸气的工作温度为230-270℃。
6.根据权利要求1所述的一种带有原子陷波滤波器的汤姆逊散射诊断系统，其特征在于：所述探测器(10)为APD阵列探测器，探测波段为300nm-900nm。
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