CN116864157A - 一种适用于磁约束聚变装置的氦光谱成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于磁约束聚变装置的氦光谱成像系统，包括喷气管道、中继光路系统、单色充气成像系统、多色分光系统和高速相机系统或光电转换探测器阵列系统。喷气管道喷入氦气形成气体云物面，单色充气成像系统和多色分光系统，分别将物面成像到高速相机感光面的指定区域。单色充气成像系统将物面图像中特定波长的谱线成像到高速相机的感光面，获得高时间分辨的物面图像演化；多色分光系统将物面图像中四个特定波长的谱线成像到另一台高速相机的感光面，结合碰撞辐射模型可得到电子温度和密度。本发明增加了可用于电子温度和密度测量的分光系统，极大提升了诊断的能力。
Description
技术领域
本发明涉及磁约束聚变等离子体诊断领域，具体是一种适用于磁约束聚变装置的氦光谱成像系统。
背景技术
磁约束聚变通过特殊位形的磁场把等离子体控制在特定容器内，再利用辅助加热提高等离子体的温度和加料提高等离子体的密度，在满足劳逊判据的条件下可实现聚变点火和自持燃烧，用来发电。磁约束聚变是清洁能源，原材料在自然界储量丰富，是解决人类未来能源问题的可行途径。目前托卡马克和仿星器是最有可能实现受控磁约束聚变的两种装置。
在磁约束聚变装置的边界等离子体中，湍流是主导等离子体输运的一个重要因素，对边界不稳定性和刮削层热流粒子流有重要影响，并且直接影响着芯部等离子体的约束性能。边界等离子体电子温度和密度的分布，决定了产生湍流的性质和幅度，是理解和掌握控制湍流及其输运规律的重要物理量。测量边界湍流有多种诊断方法，例如朗缪尔探针、微波反射计、束发射光谱和充气成像系统(GPI)等诊断。GPI是直接测量边界湍流二维空间结构和随时间演化的诊断。它通过向边界等离子体喷入中性气体，如氘气或者氦气，形成气体云，再利用光路成像到高速相机感光面，获得某个波长的谱线信号的二维强度分布和演化。由于光强度与物面处的局域温度和密度有关，其涨落信号能够代表边界等离子体中的湍流强度。一般来说，充气成像系统的物面是沿着极向和径向的二维空间面，其测量结果反映的是湍流的二维结构。目前，充气成像系统已经应用在多个托卡马克装置中。测量边界电子温度和密度的常用方法有朗缪尔探针、电荷复合交换光谱和热氦束等诊断。其中热氦束通过向边界等离子体喷入氦气，并测量径向弦上的三个HeI谱线强度，其中两组谱线强度之比分别与电子密度和温度成准线性关系，结合碰撞辐射模型可得到电子温度和密度。因此，结合充气成像系统和热氦束两个诊断的优点，发展氦光谱成像系统，同时测量边界二维湍流、电子温度和密度分布，对于理解边界湍流输运机制具有重要意义。
在国际上，充气成像系统和热氦束通常采用成像光纤束或光纤传输图像或光信号，多个光学元件耦合时会造成较大的光损失，从而降低测量信号的强度和信噪比。本发明的氦光谱成像系统采用中继光路与高速相机(或光电转换探测器阵列)直接连接，有效降低光损失，提高信号强度和系统的时间分辨率，对开展高水平物理研究至关重要。本次发展的氦光谱成像系统是在前期的基础上，采用与发明专利(申请号CN202110616282.8)相似的机械结构，即光学外筒和光学内筒分离，并将光学内筒固定在外筒末端法兰上。由于这一部分内外筒的结构在发明专利(申请号CN202110616282.8)已做详细说明，本发明不再阐述。因此，本发明重点放在氦光谱系统中单色GPI系统和多色分光系统的设计和实现方式。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于磁约束聚变装置的氦光谱成像系统，以实现对边界湍流二维结构演化、电子温度和密度的直接测量。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种适用于磁约束聚变装置的氦光谱成像系统，包括喷气管道1、中继光路系统3、单色充气成像系统4、多色分光系统5、第一高速相机系统6、第二高速相机系统7；喷气管道1通过多个小孔向边界等离子体喷入氦气，形成气体云物面2；中继光路系统3收集气体云物面2发射的光线并会聚成平行光，通过分光镜分别导入单色充气成像系统4和多色分光系统5这两个支路；其中单色充气成像系统4将气体云物面2辐射的特定特征谱线成像到第一高速相机系统6的感光面即像面一25，得到二维湍流结构和演化；多色分光系统5通过多次分色和合色步骤，将入射光线中四种波长的特征谱线成像到第二高速相机系统7的感光面即像面二46，即一个感光面上排列着四个波长的子像面，结合碰撞辐射模型得到气体云物面2上的电子温度和密度。
进一步，所述喷气管道1由一排或多排均匀排列的小孔组成，通常用316L不锈钢管制成，通过焊接或者螺栓结构固定在磁约束聚变装置的内壁上，在需要时向等离子体边界喷入氦气，形成气体云物面2。
进一步，所述中继光路系统3的光学镜筒包括机械内筒和机械外筒；观察窗8位于机械外筒的最前端，用于隔离机械外筒内外的真空，机械外筒的末端法兰与磁约束聚变装置的窗口法兰连接，完成真空密封；其余的所有光学镜片均安装固定于机械内筒内部，单色充气成像系统4和多色分光系统5对应的机械内筒末端有内螺纹，用于连接底部带有外螺纹的法兰盘，通过旋转法兰盘的螺纹可调节和固定第一高速相机系统6和第二高速相机系统7分别与像面一25和像面二46的距离；机械内筒中部有一法兰盘，与机械外筒末端法兰盘连接固定。
进一步，所述第一高速相机系统6和第二高速相机系统7采用商业高速相机，直接拍摄气体云物面2图形信息，具有较高的像素和采集帧率；或者所述第一高速相机系统6和第二高速相机系统7采用光电转换探测器组成阵列，接收像面的图像信息；所述第一高速相机系统6和第二高速相机系统7固定在光学镜筒尾端的法兰及支撑板上，法兰下端为外螺纹，与镜筒尾部的内螺纹连接，可通过法兰下部的螺纹调整感光面与像面之间的距离以获得最清晰的图像，另可通过旋转高速相机系统调整像面在高速相机系统感光面上的角度。
进一步，所述中继光路系统3包括观察窗8、镜片、反射棱镜9、直角棱镜、分光镜16、分色棱镜、合色棱镜和滤光片，将气体云物面2发射的某些谱线成像到高速相机系统的感光面；所述观察窗8位于光路的最前端，由石英玻璃与不锈钢法兰盘焊接而成，通过与机械外筒的法兰连接，起到真空密封的作用；所述反射棱镜9将入射光线调整至与光学镜筒同轴；光线依次经过镜片一10、光阑一11、镜片二12、镜片三13、镜片四14和镜片五15，将光线会聚成平行光，经过分光镜16将光线分为两部分，一部分进入多色分光系统5，另一部分经直角棱镜一17反射进入单色充气成像系统4。
进一步，所述单色充气成像系统4包括镜片六18、镜片七19、镜片八20、镜片九21、镜片十23、镜片十一24和滤光片一22，通过上述部件逐渐将光线会聚并成像到第一高速相机系统6的感光面，即像面一25；所述滤光片一22被安装在单色充气成像系统4的光学镜筒预留的插槽内，在实验间歇期，通过更换滤光片一22，获得气体云物面2不同特征谱线的二维结构演化。
进一步，所述多色分光系统5将气体云物面2辐射的四种特征谱线提取出来，分别成像到第二高速相机系统7的感光面，且四个子像面紧密排列成一个位于感光面中心区域的正方形像面二46，光线进入所述多色分光系统5之后，首先经过分色棱镜一26将特征波长一反射进入滤光片二34和直角棱镜三30，再依次经过合色棱镜一31、合色棱镜二32和合色棱镜三33，最后由透镜组会聚到第二高速相机系统7的感光面；从分色棱镜一26透过的光线经过分色棱镜二27时，特征波长二被反射进入滤光片三35和合色棱镜一31，继续被反射透过合色棱镜二32和合色棱镜三33，最后由透镜组会聚到第二高速相机系统的感光面；类似的，从分色棱镜二27透过的光线依次经过分光棱镜三28、滤光片四36、合色棱镜二32和合色棱镜三33，可提取出特征波长三的谱线，再经过后端透镜组成像到第二高速相机系统7的感光面；从分色棱镜三28透过的光线依次经过滤光片五37、直角棱镜二29和合色棱镜三33，再经过后端透镜组成像到第二高速相机系统7的感光面。
进一步，所述第二高速相机系统7的感光面接收的像面二46包含四个子像面，它们紧密排列在感光面的中心区域，组成一个正方形；四个子像面对应来自气体云物面2四种不同波长谱线的图像，需要采用积分球设备标定每种波长谱线的图像的绝对强度与测量信号的对应关系；通过调节分色棱镜一26、分色棱镜二27、分色棱镜三28、直角棱镜二29、直角棱镜三30、合色棱镜一31、合色棱镜二32和合色棱镜三33的角度，使得每个子像面的大小尺寸相同，四个子像面上的像素对应同一个气体云物面2上的点阵。
进一步，所述透镜组由镜片十二38，镜片十三39，镜片十四40，镜片十五41，镜片十六42，镜片十七43，镜片十八44，镜片十九45组成。
本发明的有益效果在于：
本发明提出了一种适用于磁约束聚变装置的氦光谱成像系统，包括喷气管道系统、中继光路系统、单色充气成像系统、多色分光系统和高速相机或光电转换探测器阵列系统。喷气管开有一排或多排均匀分布的小孔，喷入中性气体形成气体云物面。中继光路系统包括观察窗、镜片、反射棱镜、直角棱镜、分光镜、分色棱镜、合色棱镜和滤光片等部件，组成了单色充气成像系统光路和多色分光系统光路，分别将气体云物面成像到高速相机感光面的指定区域。单色充气成像系统将气体云物面图像中特定波长的谱线成像到高速相机的感光面或光电转换探测器阵列，获得高时间分辨的物面图像演化；多色分光系统将物面图像中四个特定波长的谱线成像到另一台高速相机的感光面或光电转换探测器阵列，结合碰撞辐射模型可得到电子温度和密度。本发明的氦光谱成像系统在原充气成像系统的基础上，增加了可用于电子温度和密度测量的分光系统，极大提升了诊断的能力。此外，本发明的氦光谱成像系统采用中继光路直接成像到探测器，避免了使用成像光纤束造成的光损失，系统整体透过率和光强高，能以高时间分辨运行。光路系统采用内外筒的机械方式，维护内筒的光路不需要拆卸外筒，真空密封可靠性高，机械性能稳定。
附图说明
图1为氦光谱成像系统各主要部分示意图；
图2为氦光谱成像系统的整体光路图；
图3为氦光谱成像系统的单色GPI光路图；
图4为氦光谱成像系统的多色分光系统光路图；
图5为氦光谱成像系统的多色分光系统的成像面分布图。
其中：1–喷气管道，2–气体云物面，3–中继光路系统，4–单色充气成像系统，5–多色分光系统，6–第一高速相机系统，7–第二高速相机系统，8–观察窗，9–反射棱镜，10–镜片一，11–光阑一，12–镜片二，13–镜片三，14–镜片四，15–镜片五，16–分光镜，17–直角棱镜一，18–镜片六，19–镜片七，20–镜片八，21–镜片九，22–滤光片一，23–镜片十，24–镜片十一，25–像面一，26–分色棱镜一，27–分色棱镜二，28–分色棱镜三，29–直角棱镜二，30–直角棱镜三，31–合色棱镜一，32–合色棱镜二，33–合色棱镜三，34–滤光片二，35–滤光片三，36–滤光片四，37-滤光片五，38-镜片十二，39-镜片十三，40-镜片十四，41-镜片十五，42-镜片十六，43-镜片十七，44-镜片十八，45-镜片十九，46-像面二。
具体实施方式
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的适用于磁约束聚变装置的氦光谱成像系统包括喷气管道1、中继光路系统3和第一高速相机系统6；喷气管道1通过多个小孔向边界等离子体喷入氦气，形成气体云物面2；中继光路系统3收集气体云物面2发射的光线并会聚成平行光，通过分光镜分别导入单色充气成像系统4和多色分光系统5这两个支路；其中单色充气成像系统4将气体云物面2辐射的某个特征谱线成像到第一高速相机系统6的感光面，得到二维湍流结构和演化；多色分光系统5通过多次分色和合色等步骤，将入射光线中四种波长的特征谱线成像到第二高速相机系统7的感光面，即一个感光面上排列着四个波长的子像面，结合碰撞辐射模型可以得到气体云物面2上的电子温度和密度。整个光路系统具有较高的透过率和成像质量。
所述中继光路系统3包括机械内筒和机械外筒；观察窗8位于机械外筒的最前端，用于隔离机械外筒内外的真空，机械外筒的末端法兰与磁约束聚变装置的窗口法兰连接，完成真空密封；其余的所有光学镜片均安装固定于机械内筒内部，单色充气成像系统4和多色分光系统5对应的机械内筒末端有内螺纹，用于连接底部带有外螺纹的法兰盘，可调节和固定高速相机系统与像面的距离；机械内筒中部有一法兰盘，可与机械外筒末端法兰盘连接固定。
所述喷气管道1由一排或多排均匀排列的小孔组成，通常用316L不锈钢管制成，通过焊接或者螺栓结构固定在磁约束装置的内壁上，在需要时向等离子体边界喷入中性气体，如氦气，形成气体云物面2。
如图1所示，所述第一高速相机系统6和第二高速相机系统7可采用商业高速相机，直接拍摄气体云物面2图形信息，具有较高的像素和采集帧率；也可采用光电转换探测器组成阵列，接收像面的图像信息；所述第一高速相机系统6和第二高速相机系统7可固定在光学镜筒尾端的法兰及支撑板上，法兰下端为外螺纹，与镜筒尾部的内螺纹连接，可通过法兰下部的螺纹调整感光面与像面之间的距离以获得最清晰的图像，另可通过旋转高速相机系统调整像面在高速相机感光面上的角度。
如图2所示，所述中继光路系统3包括观察窗8、镜片、反射棱镜9、直角棱镜、分光镜16、分色棱镜、合色棱镜和滤光片等部件，将气体云物面2发射的某些谱线成像到高速相机系统的感光面；所述观察窗8位于光路的最前端，由石英玻璃与不锈钢法兰盘焊接而成，通过与机械外筒的法兰连接，起到真空密封的作用；所述反射棱镜9将入射光线调整至与光学镜筒同轴；光线依次经过镜片一10、光阑一11、镜片二12、镜片三13、镜片四14和镜片五15将光线会聚成平行光，经过分光镜16将光线分为两部分，一部分进入多色分光系统5另一部分经直角棱镜一17反射进入单色充气成像系统4。
如图3所示，所述单色充气成像系统4包括镜片六18、镜片七19、镜片八20、镜片九21、镜片十23、镜片十一24和滤光片一22，通过上述部件逐渐将光线会聚并成像到第一高速相机系统6的感光面，即像面一25；所述滤光片一22被安装在光学镜筒预留的插槽内，在实验间歇期，可更换滤光片一22，获得气体云物面2不同特征谱线的二维结构演化。
如图4所示，所述多色分光系统5将气体云物面2辐射的四种特征谱线提取出来，分别成像到第二高速相机系统7的感光面，且四个子像面紧密排列成一个位于感光面中心区域的正方形像面二46。光线进入所述多色分光系统5之后，首先经过分色棱镜一26将特征波长一反射进入滤光片二34和直角棱镜三30，再依次经过合色棱镜一31、合色棱镜二32和合色棱镜三33，最后由镜片38-镜片45组成的透镜组会聚到第二高速相机系统7的感光面；从分色棱镜一26透过的光线经过分色棱镜二27时，特征波长二被反射进入滤光片三35和合色棱镜一31，继续被反射透过合色棱镜二32和合色棱镜三33，最后由镜片38-镜片45组成的透镜组会聚到第二高速相机系统7的感光面；类似的，从分色棱镜二27透过的光线依次经过分光棱镜三28、滤光片四36、合色棱镜二32和合色棱镜三33，可提取出特征波长三的谱线，再经过后端透镜组成像到第二高速相机系统7的感光面；从分色棱镜三28透过的光线依次经过滤光片五37、直角棱镜二29和合色棱镜三33，再经过后端透镜组成像到第二高速相机系统7的感光面。
如图5所示，所述第二高速相机系统7的感光面接收的像面二46包含四个子像面，它们紧密排列在感光面的中心区域，组成一个正方形；四个子像面对应来自气体云物面2四种不同波长谱线的图像，需要采用积分球等设备标定每种波长图像的绝对强度与测量信号的对应关系；通过调节分色棱镜一26、分色棱镜二27、分色棱镜三28、直角棱镜二29、直角棱镜三30、合色棱镜一31、合色棱镜二32和合色棱镜三33的角度，使得每个子像面的大小尺寸相同，四个子像面上的像素对应同一个气体云物面2上的点阵。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (9)
1.一种适用于磁约束聚变装置的氦光谱成像系统，其特征在于：包括喷气管道(1)、中继光路系统(3)、单色充气成像系统(4)、多色分光系统(5)、第一高速相机系统(6)、第二高速相机系统(7)；喷气管道(1)通过多个小孔向边界等离子体喷入氦气，形成气体云物面(2)；中继光路系统(3)收集气体云物面(2)发射的光线并会聚成平行光，通过分光镜分别导入单色充气成像系统(4)和多色分光系统(5)这两个支路；其中单色充气成像系统(4)将气体云物面(2)辐射的特定特征谱线成像到第一高速相机系统(6)的感光面即像面一(25)，得到二维湍流结构和演化；多色分光系统(5)通过多次分色和合色步骤，将入射光线中四种波长的特征谱线成像到第二高速相机系统(7)的感光面即像面二(46)，即一个感光面上排列着四个波长的子像面，结合碰撞辐射模型得到气体云物面(2)上的电子温度和密度。
2.根据权利要求1所述的适用于磁约束聚变装置的氦光谱成像系统，其特征在于：所述喷气管道(1)由一排或多排均匀排列的小孔组成，通常用316L不锈钢管制成，通过焊接或者螺栓结构固定在磁约束聚变装置的内壁上，在需要时向等离子体边界喷入氦气，形成气体云物面(2)。
3.根据权利要求1所述的适用于磁约束聚变装置的氦光谱成像系统，其特征在于：所述中继光路系统(3)的光学镜筒包括机械内筒和机械外筒；观察窗(8)位于机械外筒的最前端，用于隔离机械外筒内外的真空，机械外筒的末端法兰与磁约束聚变装置的窗口法兰连接，完成真空密封；其余的所有光学镜片均安装固定于机械内筒内部，单色充气成像系统(4)和多色分光系统(5)对应的机械内筒末端有内螺纹，用于连接底部带有外螺纹的法兰盘，通过旋转法兰盘的螺纹可调节和固定第一高速相机系统(6)和第二高速相机系统(7)分别与像面一(25)和像面二(46)的距离；机械内筒中部有一法兰盘，与机械外筒末端法兰盘连接固定。
4.根据权利要求1所述的适用于磁约束聚变装置的氦光谱成像系统，其特征在于：所述第一高速相机系统(6)和第二高速相机系统(7)采用商业高速相机，直接拍摄气体云物面(2)图形信息，具有较高的像素和采集帧率；或者所述第一高速相机系统(6)和第二高速相机系统(7)采用光电转换探测器组成阵列，接收像面的图像信息；所述第一高速相机系统(6)和第二高速相机系统(7)固定在光学镜筒尾端的法兰及支撑板上，法兰下端为外螺纹，与镜筒尾部的内螺纹连接，可通过法兰下部的螺纹调整感光面与像面之间的距离以获得最清晰的图像，另可通过旋转高速相机系统调整像面在高速相机系统感光面上的角度。
5.根据权利要求1所述的适用于磁约束聚变装置的氦光谱成像系统，其特征在于：所述中继光路系统(3)包括观察窗(8)、镜片、反射棱镜(9)、直角棱镜、分光镜(16)、分色棱镜、合色棱镜和滤光片，将气体物面(2)发射的某些谱线成像到高速相机系统的感光面；所述观察窗(8)位于光路的最前端，由石英玻璃与不锈钢法兰盘焊接而成，通过与机械外筒的法兰连接，起到真空密封的作用；所述反射棱镜(9)将入射光线调整至与光学镜筒同轴；光线依次经过镜片一(10)、光阑一(11)、镜片二(12)、镜片三(13)、镜片四(14)和镜片五(15)，将光线会聚成平行光，经过分光镜(16)将光线分为两部分，一部分进入多色分光系统(5)，另一部分经直角棱镜一(17)反射进入单色充气成像系统(4)。
6.根据权利要求5所述的适用于磁约束聚变装置的氦光谱成像系统，其特征在于：所述单色充气成像系统(4)包括镜片六(18)、镜片七(19)、镜片八(20)、镜片九(21)、镜片十(23)、镜片十一(24)和滤光片一(22)，通过上述部件逐渐将光线会聚并成像到第一高速相机系统(6)的感光面，即像面一(25)；所述滤光片一(22)被安装在单色充气成像系统(4)的光学镜筒预留的插槽内，在实验间歇期，通过更换滤光片一(22)，获得气体云物面(2)不同特征谱线的二维结构演化。
7.根据权利要求5所述的适用于磁约束聚变装置的氦光谱成像系统，其特征在于：所述多色分光系统(5)将气体云物面(2)辐射的四种特征谱线提取出来，分别成像到第二高速相机系统(7)的感光面，且四个子像面紧密排列成一个位于感光面中心区域的正方形像面二(46)，光线进入所述多色分光系统(5)之后，首先经过分色棱镜一(26)将特征波长一反射进入滤光片二(34)和直角棱镜三(30)，再依次经过合色棱镜一(31)、合色棱镜二(32)和合色棱镜三(33)，最后由透镜组会聚到第二高速相机系统(7)的感光面；从分色棱镜一(26)透过的光线经过分色棱镜二(27)时，特征波长二被反射进入滤光片三(35)和合色棱镜一(31)，继续被反射透过合色棱镜二(32)和合色棱镜三(33)，最后由透镜组会聚到第二高速相机系统的感光面；类似的，从分色棱镜二(27)透过的光线依次经过分光棱镜三(28)、滤光片四(36)、合色棱镜二(32)和合色棱镜三(33)，可提取出特征波长三的谱线，再经过后端透镜组成像到第二高速相机系统(7)的感光面；从分色棱镜三(28)透过的光线依次经过滤光片五(37)、直角棱镜二(29)和合色棱镜三(33)，再经过后端透镜组成像到第二高速相机系统(7)的感光面。
8.根据权利要求7所述的适用于磁约束聚变装置的氦光谱成像系统，其特征在于：所述第二高速相机系统(7)的感光面接收的像面二(46)包含四个子像面，它们紧密排列在感光面的中心区域，组成一个正方形；四个子像面对应来自气体云物面(2)四种不同波长谱线的图像，需要采用积分球设备标定每种波长谱线的图像的绝对强度与测量信号的对应关系；通过调节分色棱镜一(26)、分色棱镜二(27)、分色棱镜三(28)、直角棱镜二(29)、直角棱镜三(30)、合色棱镜一(31)、合色棱镜二(32)和合色棱镜三(33)的角度，使得每个子像面的大小尺寸相同，四个子像面上的像素对应同一个气体云物面(2)上的点阵。
9.根据权利要求7所述的适用于磁约束聚变装置的氦光谱成像系统，其特征在于，所述透镜组由镜片十二(38)，镜片十三(39)，镜片十四(40)，镜片十五(41)，镜片十六(42)，镜片十七(43)，镜片十八(44)，镜片十九(45)组成。
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