CN114354518A - 一种环向二维空间分辨可见光谱的诊断系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环向二维空间分辨可见光谱诊断系统，在EAST托卡马克装置运行时，远程控制shutter，偏滤器和边界区域视场范围内的杂质发出可见波段光谱被兼容式的光路分别聚集到一维和二维光纤阵列端面，经由光纤束传输到光谱仪狭缝进行光路成像处理，聚焦到可见快速CMOS探测器，由计算机软件程序进行数据分析，计算获得EAST等离子体偏滤器、边界区域杂质粒子分布以及极向完整剖面的有效电荷数分布等杂质关键物理量，最终实现二维空间分辨可见光谱诊断。相较于现有技术，本发明提供一种环向二维空间分辨、大视场范围的、远程灵活可调的可见光谱诊断系统。
Description
技术领域
本发明涉及核聚变托卡马克装置物理诊断技术领域，尤其涉及一种环向二维空间分辨可见光谱诊断系统。
背景技术
目前，国际上正在广泛开展磁约束聚变研究，EAST托卡马克磁约束等离子体与面向等离子体的材料部件之间会发生各种各样的相互作用，实验期间氦、锂、硼、硅等的壁处理以及偏滤器实验Ar、Ne等惰性气体的注入，都会不可避免地产生锂、氦、硼、碳、氧、硅和铁、铜、钼、钨等低Z和高Z杂质，从而严重影响等离子体品质、严重阻碍等离子体约束性能的提高。为此在EAST上发展了一套可见波段的基于环向二维空间分辨成像光路的杂质光谱诊断系统，在高参数、稳态和长脉冲放电中进行杂质定量诊断，开展系统的杂质行为和输运物理的实验和机理研究，以期获得有效控制杂质输运的实验手段，帮助EAST获得杂质含量较低的增强约束的稳态长脉冲H模等离子体。
发明内容
本发明目的就是为了克服已有可见波段杂质诊断系统的背景噪声难以扣除、波段窄且固定、可同时观测的杂质种类有限、空间观测范围有限等不足，提供一种环向二维空间分辨、大视场范围的、远程灵活可调的可见光谱诊断系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种环向二维空间分辨可见光谱的诊断系统，其特征在于：包含有EAST托卡马克探入式光筒、shutter及其远程控制器、窗口光学玻璃、一维和二维空间分辨兼容光路、信号传输光纤阵列、光谱仪、探测器、系统封闭支撑平台、数据采集和处理系统；探入式光筒设置一维和二维空间分辨兼容光路；在EAST托卡马克装置等离子体放电期间，远程控制器控制shutter打开，偏滤器和边界区域视场范围内杂质发出的可见波段光谱被兼容式的光路分别聚集到一维和二维光纤阵列端面，经由光纤束传输到光谱仪狭缝进行光路成像处理，然后聚焦到可见快速CMOS探测器，最后由计算机软件程序进行数据分析，计算获得EAST等离子体偏滤器、边界区域杂质粒子分布以及极向完整剖面的有效电荷数分布的杂质关键物理量，为实现等离子体杂质行为和输运物理的实验和机理研究提供充足实验数据，以期获得有效控制杂质输运的实验手段，帮助EAST装置获得杂质含量较低的增强约束的稳态长脉冲H模等离子体。
所述的一维和二维空间分辨兼容光路，其中一维光纤阵列包含60根光纤一维排列，二维光纤阵列呈10×11二维排列，一维和二维空间分辨兼容光路采用环状固定器固定在同一底座结构，再插入1471mm长、内径Φ100mm(Φ表示直径)的不锈钢真空管道与不锈钢法兰相连，整个不锈钢真空管道固定在EAST装置F窗口中平面的法兰上，向内探入EAST装置的真空室形成探入式光筒。
观测波段覆盖300-700nm的可见波段，一维空间观测范围为EAST装置的上下偏滤器区轴向1400mm；二维空间观测范围为350×380mm且具有远程可调功能，空间分辨率23-30mm，时间分辨率20-200ms。
光纤光路通过真空管道探入EAST装置的真空室内，从而离等离子体更近，观测视场范围更大，以获得EAST等离子体二维大视场范围的杂质光谱成像。
所述信号传输光纤阵列包含60根光纤的一维光纤阵列和10×11的二维光纤阵列。
通过长程光纤束采集传输信号至EAST装置的隔离墙外的光谱仪进行信号的处理，避免了EAST装置被复杂的放电环境的干扰，系统操作空间相对充足，便于系统运行维护。
光谱仪是焦距280mm的Czerny-Turner型光谱仪，由一个入口狭缝、一个环形镜、一个平面镜、可旋转工作台上的三个光栅、两个球面镜所组成；入口狭缝从0.01mm～4.0mm更换，光栅通过计算机控制选择2400grooves/mm、1200grooves/mm或300grooves/mm；利用光谱仪光路中的环形镜和球面镜来抑制散光，在较宽的波长范围内使用出口狭缝的完整垂直范围，从而实现出口狭缝处光纤图像的清晰垂直分离，使得道数较多的光纤能在相邻通道间完全分辨不交叉。
所述的探测器为背照式可见快速CMOS探测器，连接于光谱仪的出口狭缝处，像素点为2048x2048，匹配532nm二极管激光准直器，计算机配有win10操作系统，通过软件开发，实现实验过程中技术参数远程实时设置和调整。
本发明的优点是：
通过精准的光路及光纤阵列排列设计、整套一维和二维空间分辨耦合光路、光纤阵列高度兼容，集成于直径内径约100mm的不锈钢管道内，且伸入EAST装置真空室内，视场角度可调，实现偏滤器、边界区域可调的环向二维空间分辨的、以及一维大视场范围的杂质可见波段光谱成像，结合绝对标定，最终实现偏滤器和边界杂质源的定量测量，实现轴向1400mm大范围的有效电荷数Zeff分布的精确测量，通过更换光谱仪中的高光谱分辨率(0.03nm/像素)的2400刻线/mm光栅，利用多普勒频移，实现边界杂质流速的二维分布，所有物理量的分布测量是目前EAST托卡马克物理研究亟需的重要诊断数据。二维空间分辨可见光谱诊断，适用于核聚变托卡马克物理诊断研究。
附图说明
图1为本发明工作原理框图；
图2为探入式光筒结构设计简图；
图3为光路前端结构设计图。
其中：EAST托卡马克装置1、shutter及其远程控制2、兼容光路3、光纤束4、光谱仪5、探测器6、数据采集和处理系统7、托卡马克运行8、数据库9。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种环向二维空间分辨可见光谱的诊断系统，包括EAST托卡马克装置1、shutter及其远程控制2、探入式光筒及一维和二维空间分辨兼容光路3、光纤束4、光谱仪5、探测器6、数据采集和处理系统7以及外围系统封闭支撑平台，探入式光筒设置一维和二维空间分辨兼容光路；当EAST托卡马克装置1准备等离子体放电时，远程控制shutter打开，放电期间装置1产生的偏滤器和边界区域视场范围内的杂质发出的可见波段光谱信号被兼容式的光路3分别聚集到一维和二维光纤阵列端面，经长程光纤束4传输到光谱仪5狭缝进行光路成像处理，然后聚焦到可见快速CMOS探测器6成像，最后由数据采集处理系统7进行数据分析处理，计算获得EAST等离子体偏滤器、边界区域杂质粒子分布以及极向完整剖面的有效电荷数分布等杂质关键物理量，实现对EAST托卡马克装置等离子体放电的杂质测量。
数据采集处理系统7接收托卡马克运行8的触发信号开始工作进行数据采集和对应的数据处理，并适时将数据上传至数据库9实现数据共享。
所述的shutter 2为EAST环向二维空间分辨可见光谱诊断系统光学窗口保护装置，实验期间远程控制shutter的打开与关闭，可在EAST运行放电数据采集期间打开保证偏滤器和边界区域杂质发出的可见光谱透射光学窗口玻璃，进入光纤收集系统；在EAST等离子体不放电期间,比如锂化、辉光清洗等过程中关闭shutter，对光学窗口玻璃进行保护防止污染而影响杂质光谱的采集。
图2所示的探入式光筒及一维和二维空间分辨兼容光路3，一维和二维光路系统采用5组环状固定器固定在同一底座结构，分别为头尾的前端环状固定器、后端环状固定器及在两者之间的3组内部环状固定器，再插入1471mm长、内径Φ100mm不锈钢真空管道与不锈钢法兰相连，整个不锈钢管道插入EAST托卡马克装置真空室内。
所述的一维和二维空间分辨兼容光路3包含的一维和两维光路如图3布局，具有远程可调的功能，接收来自EAST托卡马克装置上下偏滤器区轴向1400mm一维空间和350×380mm二维空间的杂质辐射可见光谱。
所述的光纤束4包含了两套光纤传输阵列：一维光纤束和二维光纤束，其中一维光纤束包含了60根光纤用于杂质光谱采集传输、2根光纤用于位置标定、2根光纤用于波长标定；二维光纤束包含了110根光纤用于杂质光谱采集传输、4根光纤用于位置标定、2根光纤用于波长标定。
所述的光谱仪5为焦距280mm的Czerny-Turner型光谱仪，由一个入口狭缝、一个环形镜、一个平面镜、可旋转工作台上的三个光栅、两个球面镜所组成。入口狭缝从0.01mm～4.0mm可更换，光栅可以通过计算机控制选择2400grooves/mm、1200grooves/mm或300grooves/mm。利用光谱仪光路中的环形镜和附加球面镜来抑制散光，可以在较宽的波长范围内使用出口狭缝的完全垂直范围，从而实现出口狭缝处光纤图像的清晰垂直分离，使得道数较多的光纤能在相邻通道间完全分辨不交叉。出口狭缝处接背照CMOS探测器6。
所述的探测器6为背照式可见快速CMOS探测器，像素点为2048x2048，匹配532nm二极管激光准直器，计算机配有win10操作系统，通过软件开发，实现实验过程中技术参数远程实时设置和调整。
本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种环向二维空间分辨可见光谱的诊断系统，其特征在于：包含有EAST托卡马克装置、探入式光筒、shutter及其远程控制器、窗口光学玻璃、一维和二维空间分辨兼容光路、信号传输光纤阵列、光谱仪、探测器、系统封闭支撑平台、数据采集和处理系统；探入式光筒设置一维和二维空间分辨兼容光路；在EAST托卡马克装置等离子体放电期间，远程控制器控制shutter打开，偏滤器和边界区域视场范围内杂质发出的可见波段光谱被兼容式的光路分别聚集到一维和二维光纤阵列端面，经由光纤束传输到光谱仪狭缝进行光路成像处理，然后聚焦到可见快速CMOS探测器，最后由计算机软件程序进行数据分析，计算获得EAST托卡马克装置的等离子体偏滤器、边界区域杂质粒子分布以及极向完整剖面的有效电荷数分布的杂质关键物理量，为实现等离子体杂质行为和输运物理的实验和机理研究提供充足实验数据，以期获得有效控制杂质输运的实验手段，帮助EAST托卡马克装置获得杂质含量较低的增强约束的稳态长脉冲H模等离子体。
2.根据权利要求1所述的一种环向二维空间分辨可见光谱的诊断系统，其特征在于：一维和二维空间分辨兼容光路采用环状固定器固定在同一底座结构，再插入1471mm长、直径Φ100mm的不锈钢真空管道与不锈钢法兰相连，整个不锈钢真空管道向内探入EAST装置的真空室形成探入式光筒。
3.根据权利要求2所述的一种环向二维空间分辨可见光谱的诊断系统，其特征在于：观测波段覆盖300-700nm的可见波段，一维空间观测范围为EAST托卡马克装置的上下偏滤器区轴向1400mm；二维空间观测范围为350×380mm且具有远程可调功能，空间分辨率23-30mm，时间分辨率20-200ms。
4.根据权利要求2所述的一种环向二维空间分辨可见光谱的诊断系统，其特征在于：光纤光路通过真空管道探入EAST托卡马克装置的真空室内，从而离等离子体更近，观测视场范围更大，以获得EAST托卡马克装置的等离子体二维大视场范围的杂质光谱成像。
5.根据权利要求1所述的一种环向二维空间分辨可见光谱的诊断系统，其特征在于：所述信号传输光纤阵列包含60根光纤的一维光纤阵列和10×11的二维光纤阵列。
6.根据权利要求1所述的一种环向二维空间分辨可见光谱的诊断系统，其特征在于：通过长程光纤束采集传输信号至EAST托卡马克装置的隔离墙外的光谱仪进行信号的处理，避免了EAST托卡马克装置被复杂的放电环境的干扰，系统操作空间相对充足，便于系统运行维护。
7.根据权利要求1所述的一种环向二维空间分辨可见光谱的诊断系统，其特征在于：光谱仪是焦距280mm的Czerny-Turner型光谱仪，由一个入口狭缝、一个环形镜、一个平面镜、可旋转工作台上的三个光栅、两个球面镜所组成；入口狭缝从0.01mm～4.0mm可更换，光栅通过计算机控制选择2400grooves/mm、1200grooves/mm或300grooves/mm；利用光谱仪光路中的环形镜和球面镜来抑制散光，在较宽的波长范围内使用出口狭缝的完整垂直范围，从而实现出口狭缝处光纤图像的清晰垂直分离，使得道数较多的光纤能在相邻通道间完全分辨不交叉。
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