CN203930029U - 应用于磁约束聚变装置的高精度磁场倾斜角测量系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于一种磁约束等离子体诊断装置，具体涉及一种应用于磁约束聚变装置的高精度磁场倾斜角测量系统，它包括安装在聚变等离子体中的中性束注入系统，聚变等离子体的外部设有前端光学镜头，前端光学镜头与光学调制系统连接，光学调制系统通过光纤与光栅连接，光栅与光纤阵列以及光电转化系统相对，光纤阵列以及光电转化系统与锁相放大器连接，同时光学调制系统与锁相放大器连接从而对后者提供参考信号，锁相放大器与数据采集和控制电脑连接。其优点是，可靠性好，测量精度也非常高，既可以应用于弱斯塔克效应下等离子体磁场偏转角的测量，也可用于其他线偏振光偏振方向的高精度和高速测量。
Description
技术领域
本发明属于一种磁约束等离子体诊断装置，具体涉及一种基于光学弹性调制器，光栅，光纤阵列，光电转换和锁相放大器，通过调制、分光探测与解调来测量磁场倾斜角的系统。
背景技术
在受控核聚变实验研究中，用于约束等离子体的磁约束装置主要是托卡马克(或仿星器)装置。由于等离子体的飘移，单纯依赖纵场是不可能实现带电粒子的约束的；因此必须引入一个极向磁场，使总场形成一种螺旋状的结构。这样粒子在等离子中的漂移方向将随着时间的变化而变化，从而总的漂移相互抵消，达到粒子被磁场较好地约束的目的。
托卡马克放电中的安全因子或电流密度分布对等离子体输运过程、MHD稳定性及能量约束有很大影响，在等离子体平衡与不稳定性理论模拟研究中起着关键作用，是理解托卡马克放电中许多物理现象(如等离子体锯齿行为，输运垒的形成，新经典撕裂模等)的一个重要参量。通过测量等离子体中电流密度分布并对其进行反馈控制，可以对等离子体分布与约束特性进行主动控制，从而实现高性能托卡马克放电。
要想推算出安全因子与电流密度分布，就必须测量出在每个磁面上磁场倾角，即沿径向分布的磁场倾角。由于磁场倾角的信息可以从对应斯塔克光束中的线偏振光推算出，所以能否正确且有效地探测束发射光谱的偏振方向是该专利的关键所在。
目前，在托卡马克装置上测量磁场倾斜角的系统主要是动态斯塔克偏振测量仪。动态斯塔克偏振测量仪主要由采集透镜、光学弹性调制器、偏振片、窄带滤光片和光纤等组成。该系统可以通过测量某一个偏振方向的束发射光谱分量实现高精度的等离子体磁场倾斜角的测量。但是，在磁场强度较低或者当中性束能量较小时，动态斯塔克效应非常微弱，束发射光谱的斯塔克能量分裂非常小，互相正交的偏振分量在光谱上很难用滤光片进行区分，从而导致测量的精度很低。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于磁约束聚变装置的高精度磁场倾斜角测量系统，它选择了以光学弹性调制器、光栅、光纤阵列、光电转换、锁相放大器为核心的系统对托卡马克中沿中平面径向磁场倾角进行测量能够克服弱斯塔克效应。
本发明是这样实现的，应用于磁约束聚变装置的高精度磁场倾斜角测量系统，它包括安装在聚变等离子体中的中性束注入系统，聚变等离子体的外部设有前端光学镜头，前端光学镜头与光学调制系统连接，光学调制系统通过光纤与光栅连接，光栅与光纤阵列以及光电转化系统相对，光纤阵列以及光电转化系统与锁相放大器连接，同时光学调制系统与锁相放大器连接从而对后者提供参考信号，锁相放大器与数据采集和控制电脑连接。
所述的光学调制系统包括2个PEM与1个偏振片。
本发明的优点是，可靠性好，测量精度也非常高，既可以应用于弱斯塔克效应下等离子体磁场偏转角的测量，也可用于其他线偏振光偏振方向的高精度和高速测量。
附图说明
图1是本发明所提供的应用于磁约束聚变装置的高精度磁场倾斜角测量系统的构成方框图；
图2是应用于磁约束聚变装置的高精度磁场倾斜角测量系统的示意图。
图中：1聚变等离子体，2中性束注入系统，3前端光学镜头，4光学调制系统，5光纤，6光栅，7光纤阵列以及光电转化系统，8锁相放大器，9数据采集和控制电脑。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细介绍：
如图2所示，应用于磁约束聚变装置的高精度磁场倾斜角测量系统包括安装在聚变等离子体1中的中性束注入系统2，聚变等离子体1的外部安装有前端光学镜头3，前端光学镜头3与光学调制系统4连接，光学调制系统4通过光纤5与光栅6连接，光栅6与光纤阵列以及光电转化系统7相对，光纤阵列以及光电转化系统7与锁相放大器8连接，同时光学调制系统4与锁相放大器8连接从而为后者提供参考信号。最后锁相放大器8与数据采集和控制电脑9连接。其中，光学调制系统4包括2个PEM与1个偏振片。
使用本发明所述的高精度磁场倾斜角测量系统，经标准光源和起偏片输出线偏振光，根据锁相放大器测得2个光学弹性调制各自对应的2倍频率的调制强度，通过这两个2倍频强度比，就可根据公式
得到非完全线偏振光与水平面的夹角，从而完成系统的标定工作。上式中ω1和ω2分别表示两个PEM的调制频率。在实验中，使用光栅进行分光，并采用光纤阵列接收，可以实现很高的光谱分辨，从而达到克服弱斯塔克效应的目的；同时对中性束发射光谱的两个互相正交的偏振分量进行测量，可以同时得到它们相对水平方向的倾角，实现系统的自校正，提高测量精度和可信度。
如图1和图2所示，当中性束2注入到聚变等离子体1中，中性束与等离子体相互作用，发出带有与磁场倾角信息的斯塔克偏振光束，该偏振光经过前端光学系统3，再由两个光学弹性调制器以及一个偏振片进行偏振光调制，之后通过光纤5传输到实验室的光栅6进行分光处理，不同波长的光可以被不同的光纤阵列7接收，再通过光电转换，由锁相放大器8进行解调，通过计算机9进行数据采集和存储。
Claims (2)
1.应用于磁约束聚变装置的高精度磁场倾斜角测量系统，其特征在于：它包括安装在聚变等离子体(1)中的中性束注入系统(2)，聚变等离子体(1)的外部设有前端光学镜头(3)，前端光学镜头(3)与光学调制系统(4)连接，光学调制系统(4)通过光纤(5)与光栅(6)连接，光栅(6)与光纤阵列以及光电转化系统(7)相对，光纤阵列以及光电转化系统(7)与锁相放大器(8)连接，同时光学调制系统(4)与锁相放大器(8)连接从而对后者提供参考信号，锁相放大器(8)与数据采集和控制电脑(9)连接。
2.如权利要求1所述的应用于磁约束聚变装置的高精度磁场倾斜角测量系统，其特征在于：所述的光学调制系统(4)包括2个PEM与1个偏振片。
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