EAST遠紅外DCN激光干涉儀研制進展課件

1、ASIPP EAST多道遠紅外DCN激光干涉儀研制進展高翔，揭銀先，劉海慶，程永飛，童興德，M.ASIF，高麗2004年8月27日第1頁，共30頁。EAST托卡馬克DCN激光干涉儀研制的意義DCN激光干涉儀研制進展困難和解決的辦法小結(jié)匯報提綱第2頁，共30頁。1、HCN遠紅外激光波長為337m，EAST的等離子體中心到窗口的距離大于4米，因而利用EAST同一個垂直窗口最多只能做到四道遠紅外HCN激光干涉儀。 如果把HCN遠紅外激光器換為DCN遠紅外激光器，其波長為195m，可以做到六道DCN遠紅外激光干涉儀。所以，研制DCN激光器可以得到更高精度的等離子體截面上的電子密度的空間分布。 為什么在

2、EAST上要研制DCN激光干涉儀？第3頁，共30頁。2、在沿波的傳播方向上，等離子體有橫向密度梯度時，探測束將產(chǎn)生由于折射率變化引起的折射現(xiàn)象，使光束偏離直線傳播，這對于干涉測量有重要的影響，特別是在多道干涉儀中，嚴重的折射現(xiàn)象將會使不同的干涉道之間產(chǎn)生串擾。若密度分布是拋物線分布，ne0為中心的電子密度。干涉儀窗口到等離子體截面中心距離為Z0，則由于折射效應(yīng)造成的出射束在窗口處的最大位置偏差為： 8.9710-162ne0Z0 對于EAST超導(dǎo)托卡馬克，放電運行有更高的等離子體電子密度，要求探測束波長更小。保證正確可靠的等離子體密度測量，也需要產(chǎn)生激光波長更小的DCN激光器。 第4頁，共30

3、頁。3、DCN激光器比HCN激光器的輸出功率大。同樣尺寸的 DCN激光器輸出功率比HCN激光器大一倍左右。第5頁，共30頁。4、DCN激光器和HCN激光器在結(jié)構(gòu)和原理上相似。從我所和國內(nèi)的研究情況看，在采用電激勵遠紅外激光器測量托卡馬克等離子體電子密度方面，技術(shù)較成熟。我們曾先后在HT-6B、HT-6M和HT-7上成功地研制過單道和多道HCN激光干涉儀，實現(xiàn)長期可靠的穩(wěn)定運行，積累了多方面的成功經(jīng)驗，有很好的技術(shù)基礎(chǔ)。 我們此次要研制開發(fā)的大功率連續(xù)波DCN激光器成功后將極大的縮小與國外在遠紅外激光診斷方面的差距；也是為將建成的EAST超導(dǎo)托卡馬克提供可靠的等離子體電子密度測量奠定基礎(chǔ)。 第6

4、頁，共30頁。EAST托卡馬克DCN激光干涉儀研制的意義DCN激光干涉儀研制進展困難和解決的辦法小結(jié)第7頁，共30頁。 DCN激光器研制進展2003年春天以來，已成功地研制出兩臺DCN激光器，一臺用于臺面實驗，一臺用于EAST干涉儀。第8頁，共30頁。 DCN激光器結(jié)構(gòu)示意圖這是一臺直流電激勵連續(xù)輝光放電的波導(dǎo)型遠紅外DCN激光器。 放電管：材料為17#玻璃，內(nèi)徑48mm，外徑54 mm，長3.4 m，放電長度為3 m。放電管外面裝有油套冷卻系統(tǒng)，油溫由超級恒溫器控制。 電極：輝光放電的兩個電極用黃銅或其他材料做成，內(nèi)襯有低濺射率的稀有金屬或其化合物。諧振腔：DCN激光器的諧振腔為波導(dǎo)型諧振腔

5、，擬采用平面腔形式。腔的一端是平面反射鏡，用千分尺調(diào)節(jié)反射鏡的水平位移，用螺釘調(diào)節(jié)其角度，以得到所需的激光模式和穩(wěn)定、理想的激光輸出功率。腔的另一端用金屬鎳網(wǎng)作耦合輸出。在金屬網(wǎng)前5mm處平行地安裝五根直徑50 m的鎢絲，這樣就可以得到線偏振的激光輸出，偏振方向垂直于鎢絲。輸出窗口用X切石英片密封。用四根直徑25mm的因瓦合金將激光管緊緊地連成一體，這樣激光器具有一定的穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性。 第9頁，共30頁。用四根直徑25mm的因瓦（Invar）合金 代替石英玻璃管固定激光器，使之具有更高的熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性。 在腔的兩端使用側(cè)密封的機械結(jié)構(gòu)，這樣就不必要在每次開腔后都要對光。 mirror

6、Laser tubeLaser tubeLaser tubemeshCrystal plate激光器的改進：第10頁，共30頁。 工作氣體和清洗氣體多路流量計真空系統(tǒng)： 一臺旋片式真空泵通過一個玻璃緩沖瓶與放電管相接，其極限真空度可達5Pa。工作氣體或清洗氣體由多路流量計控制進入放電管（可用計算機實施遠程控制）。 第11頁，共30頁。 DCN研制進展電源：一臺20KVA高壓開關(guān)恒流源，輸出電流在0.52.0A范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，輸出電壓在2.5KV7KV內(nèi)變化。 激光器的運行溫度由放電管外面油套冷卻系統(tǒng)控制，油套內(nèi)灌201#甲基硅油，油溫由超級恒溫器控制（最高溫度200oC）。 第12頁，共30頁

7、。 DCN激光器的氣體配比實驗 對影響出光功率和放電穩(wěn)定性的氣體配比、油溫、放電電流和氣體壓力進行大量的臺面實驗： 激光功率隨油溫的變化激光功率隨放電電流的變化第13頁，共30頁。 氣體比例： N2:CD4:He =8：10：75油溫: 180oC放電電流: 1.2A氣壓: 70Pa以氦氣、氮氣和氘化甲烷為工作氣體，在下列參數(shù)下獲得最大DCN激光輸出功率大于200mW（接近國外文獻給出的值）。H.Q.Liu et al., Interl J IR & MMW 2004第14頁，共30頁。 但是使用N2:CD4:He 混合氣體DCN 激光器壁上會有附著物沉積，激光器的輸出功率將會嚴重下降，典型值

8、為100小時放電，功率下降90%。這在連續(xù)運行的EAST上是不能忍受的。棕色附著物第15頁，共30頁。 根據(jù)我們運行HCN激光器的經(jīng)驗，用氘氣（D2） 代替 He ，利用D2的清洗作用阻止附著物的產(chǎn)生。實驗證明這是成功的。即使在較低的溫度下，運行60多小時也未發(fā)現(xiàn)附著物的生成。在下列優(yōu)化參數(shù)下，獲得大于160mW的DCN激光功率： Mixture gas： N2:CD4:D2 = 4:5:20 Oil temperature: 145oCCurrent: 0.8APressure: 60PaY.X.Jie et al., Interl J IR & MMW 2004第16頁，共30頁。 DCN

9、激光器的輸出特性研究 輸出模式的觀測：1為195m，2為190m 輸出光束在遠場的特性 輸出光束在近場的特性 L.Gao et al., Interl J IR & MMW 2004第17頁，共30頁。 DCN干涉儀EAST 窗口布局圖 DCN干涉儀窗口（東南方）第18頁，共30頁。Side-view of DCN Interferometer on EASTDCN干涉儀研制進展第19頁，共30頁。 Top-view of DCN interferometer on EAST第20頁，共30頁。 Optic arrangement of DCN interferometer on EASTDC

10、N干涉儀研制進展第21頁，共30頁。EAST托卡馬克DCN激光干涉儀研制的意義DCN激光干涉儀研制進展困難和解決的辦法小結(jié)第22頁，共30頁。困難和解決的辦法潮濕空氣(水蒸氣）對DCN激光功率的吸收P(z)=P0exp(-z) P0為激光器出光窗口處的輸出功率 P(z)為距激光器出光窗口距離為z處的激光功率 為潮濕空氣對激光的吸收率 195=0.125 (溫度為15 ，絕對濕度為1gm-3，相對濕度8%) 這是文獻提供的數(shù)據(jù)。第23頁，共30頁。我們實驗中測量的數(shù)據(jù)：P0=108mW 室溫22oC 相對濕度50% （合肥地區(qū)正常濕度）Z: 6m 12.5mP(z): 45mW 10mW: 0.

11、21 0.23 對于EAST干涉儀，其光程大于20米，激光功率會衰減到不足1%。所以整個光路需要密封，給設(shè)計和調(diào)節(jié)光路帶來困難。除了采取密封措施外，目前正在聯(lián)系采購國外更高靈敏度的探測器（如InTe探頭）。第24頁，共30頁。氘化甲烷（CD4）氣體須從國外購買，價格較貴。為節(jié)約用氣，擬采用計算機遠程控制流量計關(guān)斷的方法。在裝置放電間歇期，關(guān)斷氘化甲烷的流量，以達到節(jié)約用氣的目的。第25頁，共30頁。為解決傳統(tǒng)的鉭陰極容易打火和壽命不長的問題，擬采用六硼化鑭（LaB6）陰極結(jié)構(gòu)：LaB6是很好的熱電子發(fā)射材料，可以在可拆卸的真空系統(tǒng)中使用，耐離子轟擊、蒸發(fā)率低、抗濺射，壽命更長,基本性能：熔點 2500電子逸出功 2.662.68ev平均發(fā)射電流密度 8A/cm2使用溫度 1300抗中毒性 可反復(fù)暴露大氣第26頁，共30頁。M.Asif et al., Interl J. IR & MMW 2004LaB6陰極鉭陰極已取得初步實驗結(jié)果，尚需改進結(jié)構(gòu)。第27頁，共30頁。EAST托卡馬克DCN激光干涉儀研制的意義DCN激光干涉儀研制進展困難和解決的辦法小結(jié)第28頁，共30頁。1、EAST遠紅外DCN激光干涉儀目前已經(jīng)完成： DCN激光器的研制和相關(guān)臺面實驗； 干涉儀基本的光路安排； 光柵的加工； 相位差計。2、需要完成的工作：光柵的臺面實驗