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引言 在高溫磁約束等離子體診斷研究中,等離子體電子密度是最基本也是最為重要的等離子體參量。世界上大中型的磁約束裝置都采用了不同波長(zhǎng)的遠(yuǎn)紅外激光干涉儀來(lái)進(jìn)行電子密度的探測(cè).如JET采用DCN激光干涉儀， RTP采用CH3OH激光干涉儀[1],TEXTOR采用HCN激光干涉儀相繼獲得了電子密度值和分布曲線,并對(duì)諸多物理實(shí)驗(yàn)中的密度行為進(jìn)行了深入的研究，取得了令人鼓舞的結(jié)果.HL22A是中國(guó)第一個(gè)封閉式偏濾器位形的托卡馬克裝置[2]。偏濾器概念在聚變裝置中的引入，增加了真空室中粒子流和能量流的主動(dòng)控制的可能性，使雜質(zhì)源與主等離子體分隔開(kāi)，從而提高了聚變效率。通常托卡馬克等離子體電子密度測(cè)量采用的是垂直弦的光路布局[3]，干涉儀的所有光學(xué)元件都可以布置在真空室的外面。HL22A裝置偏濾器隔板擋住了光線的上下通道，干涉測(cè)量只能采取橫向弦的光路布置，這意味著必須將一部分光學(xué)元件放置于等離子體放電的真空室中。本文將介紹橫向內(nèi)壁反射式邁克爾遜型遠(yuǎn)紅外激光干涉儀的研制及其在HL22A裝置實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。 1測(cè)量原理 在一個(gè)均勻的磁等離子體中，當(dāng)離子的運(yùn)動(dòng)和電子的熱速度可以忽略的情況下，等離子體的折射率N可以滿足Appleton2Hartree方程。 式中X=ω2p/ω2，Y=ωce/ω，ωp=(nee2/ε0me)1/2為等離子體頻率，ωce=eB /me為電子的回旋頻率，ω為入射波的頻率,B為等離子體中的磁場(chǎng),θ為入射波波矢k與B的夾角， ne為電子密度,ε0為真空中的介電常數(shù)，me為電子的質(zhì)量。±號(hào)代表著探測(cè)束的電場(chǎng)矢量平行或垂直于磁場(chǎng)方向。 如果探測(cè)束通過(guò)的是厚度為Z2-Z1的等離子體，那么沒(méi)有經(jīng)過(guò)等離子體的參考路光束與探測(cè)束將產(chǎn)生一相位差。 這里N0是真空中的折射率N0=1，Z2-Z1是通過(guò)等離子體介質(zhì)的路程，N=[1-(ne/nc)]1/2≈1-12(ne/nc)≈1-(ω2p/2ω2)是等離子體的折射率.將這些參數(shù)代入式(3)則得 通過(guò)測(cè)量干涉儀的相位變化就可以獲得等離子體電子密度的測(cè)量值。 2內(nèi)壁反射式干涉儀的設(shè)計(jì) HL22A裝置由于偏濾器線圈的限制，幾乎沒(méi)有可用的上下診斷窗口，等離子體參數(shù)的測(cè)量大多使用水平窗口。HL22A的真空室的內(nèi)壁沒(méi)有窗口，探測(cè)束只能通過(guò)內(nèi)掛式反射鏡返回到干涉儀。因此干涉儀的選型結(jié)構(gòu)采用邁克爾遜型。 用于干涉儀的主要光學(xué)元件有:反射鏡、反射凹鏡、分束器、診斷窗口、光柵。反射鏡和反射凹鏡由適用于遠(yuǎn)紅外波段反射和聚焦的K9玻璃基地的鍍鋁鏡或鍍金鏡制成,其損耗系數(shù)為1%,孔徑大小由2。2d(d為反射鏡上光束的大小)計(jì)算得出。在等離子體電子密度的診斷中，為了使探測(cè)的空間分辨率最好，應(yīng)將探測(cè)光束的束腰置于托卡馬克等離子體的中平面上，且使束腰越小越好。FIR激光傳輸滿足高斯光束傳輸規(guī)律，束腰與發(fā)散角的關(guān)系成反比,束腰越小，到達(dá)診斷窗口的光束越大，窗口尺寸的限制也越苛刻，因此必須兩者折衷考慮。我們采用了自恰式的光路設(shè)計(jì)方法:以診斷窗口的孔徑和窗口到等離子體中心的距離作為限制條件，來(lái)決定等離子體中心處的束腰大??；以等離子體束腰和中心到真空室內(nèi)壁的距離決定掛鏡的曲率半徑(即反射鏡的曲率與光束的曲率相等)。這樣探測(cè)光束可以從內(nèi)壁掛鏡原路返回與入射光束完全重合地通過(guò)診斷窗口。 用于干涉測(cè)量的托卡馬克的診斷窗口一般由石英晶體制成。為了使入射光束的透過(guò)率最大,吸收和反射最小，我們用平行于光軸z切割的晶體，且滿足入射波電場(chǎng)矢量垂直于入射面,平行于光軸。 除了診斷窗口的限制外，在干涉儀的設(shè)計(jì)中還必須對(duì)以下幾處束腰位置予以考慮:HCN激光器的束腰位于輸出端口處,等離子體中心的束腰由裝置的幾何尺寸決定，而用于多普勒頻移的光柵由于反射面小，也需放在束腰處.同時(shí)探測(cè)器接受面也應(yīng)位于束腰處。因此用單面變換透鏡或單面反射凹鏡是不能完成如此多的變換，必須用多面透鏡組合變換。 圖1是HL22A激光邁克爾遜型干涉儀的示意圖。3m腔長(zhǎng)的HCN激光器光束的束腰d0=21. 5mm.通過(guò)凹面反射鏡M3將激光光束經(jīng)5. 6m距離從裝置大廳底層引入第二層，進(jìn)入由數(shù)根導(dǎo)軌搭成的干涉儀光路主體。SP1分束器將光束分成測(cè)量束和參考束兩部分。M9和M2組成的凹鏡組將測(cè)量束的束腰由8. 77mm變換到等離子體赤道面中心13mm，并使在窗口處束斑最小，其值為18. 4mm。在距等離子體中心束腰524mm處，安置一凹面鏡,該反射鏡將光束自恰返回，在中心處與入射的光束束腰重合。由通過(guò)等離子體返回的光束與通過(guò)光柵產(chǎn)生了多譜勒頻移的參考光束在SP3處匯合，通過(guò)短焦距凹面反射鏡將束腰變換到Φ2的TGS探測(cè)器端面上，由此得到測(cè)量道差拍信號(hào).在參考道光路中，由SP2分束器將其分成兩部分，一部分經(jīng)過(guò)光柵調(diào)制，另一部分不通過(guò)光柵，兩者在SP5處匯合，由M8短焦距凹面鏡聚焦TGS探測(cè)器上，產(chǎn)生參考道差拍信號(hào)。 
托卡馬克等離子體放電過(guò)程中，由于高能粒子的轟擊、射頻波放電拉弧和壁處理技術(shù)的使用，真空室中面向等離子體的器壁、窗口和反射鏡均要遭到濺射和膜涂覆。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了多次反射防污擋板置于內(nèi)壁掛鏡的兩側(cè)(該擋板位于孔欄的陰影區(qū))。經(jīng)2002年和2003年的兩輪實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明，采用同樣膜厚的鍍金凹面反射鏡無(wú)防污裝置的放電20天玻璃基底上的金膜95%以上濺射掉(圖2(a))，采用了防污裝置的放電50余天80%的金膜還存在(見(jiàn)圖2(b))。該反射鏡對(duì)337μm的激光的反射在不同的污染區(qū)域有不同的表現(xiàn):在拉弧區(qū)(圖中有細(xì)小花紋區(qū)域)FIR激光的反射率為75%，在粒子的沉積區(qū)(圖中上下部位)FIR激光的反射率為60%。等離子體放電對(duì)裝置會(huì)產(chǎn)生一些機(jī)械振動(dòng)，為此在內(nèi)掛鏡鏡架的設(shè)計(jì)中采用了彈簧頂拉式結(jié)構(gòu)[5]。 
3軟件比較相位數(shù)據(jù)處理技術(shù) HL22A托卡馬克裝置采用的是空心變壓器的結(jié)構(gòu)，裝置的周圍存在很大的雜散磁場(chǎng),會(huì)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)造成一定的干擾。通常干涉儀的信號(hào)采集處理采用硬件相位比較方法[6]，由于本文介紹的內(nèi)壁反射式激光干涉儀的探測(cè)器距裝置4m左右，放電過(guò)程中產(chǎn)生的干擾常常造成條紋誤記數(shù)。為此我們采用一種新的軟件比較相位技術(shù)。其原理見(jiàn)圖3。由熱釋電探測(cè)器TGS測(cè)量到的參考路和探測(cè)路的正弦波差拍信號(hào)分別經(jīng)頻率為10k±2k的帶通濾波放大系統(tǒng)進(jìn)入1M采樣率的采集系統(tǒng),通過(guò)A/D變換PC機(jī)將兩路信號(hào)的原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。用軟件識(shí)別技術(shù)將正弦波的周期及各個(gè)過(guò)零位置找出，比較參考路與測(cè)量路的相位，由式(4)得到電子密度的信息。 
由于軟件比較方法將干涉儀的差拍信號(hào)記錄存儲(chǔ)，當(dāng)放電對(duì)干涉儀系統(tǒng)產(chǎn)生干擾時(shí)，可以通過(guò)分析原始信號(hào)，找到干擾的位置，用不同的選擇條件語(yǔ)句，判定過(guò)零點(diǎn)的閾值范圍和位置，增加或去除條紋，獲得合理的密度曲線，從而可以提高整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確率。 HL22A內(nèi)壁反射式干涉儀的測(cè)量精度在等離子體電流Ip<200kA,縱場(chǎng)BT<2特斯拉的工作范圍內(nèi)為1×1012cm-3。圖4是干涉儀測(cè)量得到的原始相位變化信號(hào)和電子密度波形。 
4偏濾器等離子體放電的密度行為 內(nèi)壁反射式激光干涉儀已于2002年在HL22A托卡馬克上投入實(shí)驗(yàn)測(cè)量，為2002~2003年兩輪工程和物理實(shí)驗(yàn)近2 000多次放電提供了電子密度數(shù)據(jù)。 磁約束聚變的目的是控制具有一定能量的粒子在裝置中實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)，從而產(chǎn)生大量的反應(yīng)能.粒子與容器器壁碰撞產(chǎn)生雜質(zhì)，雜質(zhì)將損耗反應(yīng)粒子的能量。偏濾器將通過(guò)磁場(chǎng)位形使等離子體與器壁的作用降低，將雜質(zhì)粒子引導(dǎo)出放電真空室，從而提高聚變反應(yīng)的效率。圖5是HL22A裝置典型的偏濾器等離子體放電波形和其間的密度演變過(guò)程。圖(a)為真空紫外測(cè)得的主等離子體的OⅥ雜質(zhì)譜線強(qiáng)度， (b)為本文介紹的干涉儀測(cè)量的主等離子體線平均密度，(c)為等離子體電流，(d)為偏濾器室中用可見(jiàn)光譜測(cè)量的CⅢ雜質(zhì)的譜線強(qiáng)度。 150ms以前為孔欄等離子體放電，偏濾器室中沒(méi)有觀察到CⅢ雜質(zhì)，等離子體電子密度的變化與等離子體電流的演變一致。150~230ms期間,等離子體放電進(jìn)入偏濾器位形，主等離子體中的雜質(zhì)明顯下降，偏濾器室中的雜質(zhì)明顯上升，電子密度減小，這時(shí)等離子體電流卻沒(méi)有明顯的變化。230ms以后,等離子體又恢復(fù)到孔欄放電位形，偏濾器室中的雜質(zhì)下降到幾乎為0，主等離子體的雜質(zhì)回復(fù)到150ms的水平。由于等離子體的電子密度與器壁的再循環(huán)相關(guān)，偏圖中(a)為主等離子體中的雜質(zhì)OVI強(qiáng)度(b)為本文干涉儀測(cè)量的電子密度(c)為等離子體電流(d)為偏濾器室中的雜質(zhì)CⅢ濾器放電形成的磁場(chǎng)位形使最后一個(gè)封閉磁面刮離真空室的器壁的范圍較小，壁與等離子體的相互作用減小，從而降低了再循環(huán)，電子密度也相應(yīng)減小。偏濾器形成的x點(diǎn)，將主等離子體中的雜質(zhì)引入偏濾器室,因此造成了偏濾器室中的雜質(zhì)升高，這對(duì)于聚變堆工作時(shí)的除灰是非常有利的。 
5結(jié)語(yǔ) 本文介紹了用于中國(guó)第一個(gè)偏濾器托卡馬克裝置的內(nèi)壁反射式激光干涉儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其在等離子體密度診斷中的應(yīng)用。真空室中內(nèi)掛鏡的防污染設(shè)計(jì)保證了干涉儀的長(zhǎng)期運(yùn)行。在數(shù)據(jù)采集和處理中提出了一種軟件比較相位方法，該項(xiàng)技術(shù)的使用，克服了空心變壓器帶來(lái)的雜散磁場(chǎng)的干擾造成的條紋誤記數(shù)，提高了采數(shù)率.偏濾器放電期間的電子密度行為表明，偏濾器的磁場(chǎng)位形使等離子體與真空室器壁的相互作用降低，減小了粒子的再循環(huán)。 摘自：中國(guó)計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
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