基于电感耦合等离子体源的CO_%282%29色散干涉仪搭建和测试.pdf

D0I:10.16568/j-6086.202302013文章编号：0 2 54-6 0 8 6(2 0 2 3)0 2-0 19 9-0 5June2023NuclearFusicandPlasmaPhysics2023年6 月Vol.43,No.2第43卷第2 期核聚变与等离子体物理基于电感耦合等离子体源的CO2色散干涉仪搭建和测试李梦鸽1,2，张寿彪，李维明*，刘海庆，张耀，揭银先，连辉1,3(1.中国科学院等离子体物理研究所，合肥2 30 0 31；2.中国科学技术大学，合肥2 30 0 31；3.加州大学洛杉矶分校，美国加利福尼亚90 0 95)摘要：在电感耦合等离子体源(ICP)装置上成功地搭建了一套没有减震系统的水平单道测量的CO2色散干涉仪，用以测量等离子体的弦积分电子密度，并且与HCN干涉仪结果作对比，证明了CO2色散干涉仪的可行性。关键词：CO2色散干涉仪；非线性晶体；光弹调制器(PEM)；电感耦合等离子体源中图分类号：TL62+2文献标志码：A1引言干涉仪是测量等离子体密度非常有用的工具1，然而传统的干涉仪由于振动和波长较长，会在等离子体密度测量中带来误差。首先，传统的干涉仪系统的探测光束与参考光束具有不同的光学路径，机械振动对参考光束和探测光束带来不同的相位变化，这可能会在相位比较中带来较大的误差；其次，传统的干涉仪使用的激光波长较长，高电子密度测量时会出现多次条纹翻转，导致在计算电子密度时会出现条纹翻转的计算错误，带来误差。虽然为了减小这两个问题的影响，已经进行了一些具体的改进工作，包括安装机械振动隔离系统2 和使用短波长激光源等。但是，机械振动隔离系统通常需要更大的空间和更高的成本，这对于目前EAST装置和未来聚变堆是一个极大的挑战。另一方面，更换短波长的激光虽可以减少在高密度测量中带来的条纹误差，但是短波长激光对机械振动带来的影响会更加敏感。为了尽可能减少机械振动和条纹翻转带来的误差对高密度测量的影响。二十世纪九十年代初，前苏联在GDT装置上开发了CO2色散干涉仪系统3。根据测量原理，CO2色散干涉仪系统的探测光束和参考光束是同轴的，因此可以消除两个光束不同机械振动的影响4。此外，不会出现条纹误差，因为从-元 元的CO2色散干涉仪系统中的一个条纹对应于等离子体弦平均密度为10 2 m量级5.6,这对于目前托卡马克装置上的等离子体密度来说是满意的。在TEXTOR等离子体研究中第一个用CO2色散干涉仪系统测量密度7，随着二次谐波的非线性晶体的发展，在LHD、W 7-X、HL-2 A 等实验装置上安装了CO2色散干涉仪系统4.8.9。本文在电感耦合等离子体源(ICP)上安装了一套新的CO2色收稿日期：2 0 2 1-0 1-2 2；修订日期：2 0 2 2-0 6-11基金项目：中国聚变技术计划综合研究设施项目(2 0 18-0 0 0 0 52-7 3-0 1-0 0 12 2 8)；国家重点研发计划(2 0 17 YFE0301205，2017YFE0301705)；合肥科学中心研发重点项目(2 0 19HSC-KPRD001)作者简介：李梦鸽(1995-)，女，河南驻马店人，硕士研究生，从事聚变等离子体物理实验研究。*通讯作者：李维明(198 7-)，男，安徽芜湖人，助理研究员，从事核聚变等离子体诊断和实验物理研究。200第43卷核聚变与等离子体物理散干涉仪(DI)系统，该系统是一个水平的单通道测量路径，使用了功率可调的波长为9.3m的风冷式CO2激光器，在没有使用隔振系统的情况下测量ICP的电子密度，并且和HCN测量的结果进行对比。本文将描述在ICP上的DI系统的设计、研制、搭建和电子密度测量结果。2色散干涉仪原理CO2色散干涉仪系统的基本原理如图1所示，一束角频率为的CO2基频光束首先通过第一块非线性晶体，产生两束光。一束是倍频的二次谐波(红色虚线)，其偏振方向垂直于基频波的偏振方向，另一光束是原始的基频光(黑线)。这两个光束具有相同的光程路径，并且一起穿过等离子体，红色二次谐波光束产生的相位为c,n。L/2，黑色基频光束产生的相位为c,n。L/。其中，n。为弦平均电子密度；L为等离子体长度。随后，这两个光束穿过第二块非线性晶体，并且基波产生另一束二次谐波(蓝色虚线)。同时，基频波被滤波片吸收。最后，蓝色虚线和红色虚线的二次谐波被探测器接收。由于机械振动，基频光束和二次谐波光束之间的相位差分别为Ad/c和2 aAd/c，d 为机械振动引起的光程变化。红色虚线和蓝色虚线的二次谐波相位分别由Q和表示：0=2(ot+20d/c+c,n.L/20+4)(1)P=2(ot+Wd/c+c,n.L/+d+Po sin amt)光弹调节器PEM非线性晶体等离子体非线性晶体滤光片探测器20202120m锁相放大器锁相放大器om图1带有PEM的色散干涉仪原理图探测器接收到的信号可表示为：I=A+Bcos(-2)(2)=A+B(3c,n.L/20+2p.sinOmt+0)式中，A=I,+1,B=2/,，1、I,分别表示红色和蓝色二次谐波的强度；9和分别表示基频光和二次谐波的初始相位，=2 9-92根据式(2)可以看出，由机械振动引起的相变被抵消掉。因此，得到的相位变化仅与等离子体电子密度相关，所采用的短波CO2激光对机械振动不敏感。在等离子体放电期间，检测到的信号强度随等离子体折射，激光器的振动不稳定性以及电噪声而变化。因此，为了减少A和B的信号强度变化影响的电子密度，在系统中增加了一个光弹调制器(PEM)，其光路图如图1所示。通过在光路中增加PEM，使基频光束获得相位延迟，其偏振方向与调制方向一致。检测到的信号为：I(t)=A+B(2psin Omt+3c,n.L/2+)(3)式中，P。为PEM的最大延迟，其由施加到PEM的电压确定；为PEM的调制频率。因此，可以获得完全不受A和B的信号强度变化影响的电子密度，而仅与调制幅度和2 m的比率有关。表达式为：201第2 期李梦鸽等：基于电感体源的色散干涉仪搭建和测试2.0n=tan(4)3c.Ze120mP3实验测量台面实验中使用楔形晶体代替等离子体进行密度测量实验，使用的激光器是风冷式功率可调的一体式激光器，在实验过程中为了保护晶体，使激光器的输出功率限制在15W之内。二次谐波是DI系统测量电子密度的关键，在激光功率为10 W时，二次谐波的功率大约为15uW，对于DI系统测量等离子体的密度是足够的。在没有振动隔离系统的情况下，系统在3s内的相位漂移小于2 10 7 m，而在40 0 s内，相位漂移小于510 17 m-2101，系统噪声水平很小，完全可以对ICP进行弦平均电子密度测量。非线性晶体探测器ICP源PEM非线性晶体CO,激光器HeNe激光器图2DI系统对ICP测量的光学平台布局示意图安装在激光室内用于测量ICP的光路实物图如图2 所示。系统安装在没有特殊减震装置的光学平台上，其中激光器采用美国Coherent公司生产的风冷、功率可调的一体式激光器，距离光出口3cm处是束腰位置，大小为1.13mm，可调功率范围为0 45W。但是，为了保护晶体，输出功率限制在15W以内。非线性晶体的材料为硒银，实验中所使用的两种晶体的尺寸分别为5mm5mm15mm和 5mm5mm20mm,CO2激光的透射率约为8 0%，热损伤阈值为330 Wmm一对于连续波，晶体的二次谐波产生效率非常低，二次谐波的转换效率与激光功率和晶体长度的平方成正比。PEM通光材料为硒化锌晶体，直径为2 cm，CO2激光穿过PEM的透射率约为8 5%，它对平行台面偏振方向的光束进行50 kHz调制。探测器位于光路的末端，该探测器用于检测两个二次谐波信号。在整个光路中使用五个凹面镜将光束聚焦在重要的光学设备上：两个非线性晶体、PEM、楔形晶202第43卷核聚变与等离子体物理体和探测器。基频波光束沿着光路在几个器件上的光斑直径大小如图3所示。等离子体晶体PEM晶体探测器12108642001234567与激光器的距离/m图3基频波光束直径沿光程的大小示意图注入上法兰侧视图a侧法兰观察窗口真空室泵浦3200246时间/s图4ICP的示意图(a)和 HCN 干涉仪测量的电子密度(b)实验中使用的ICP包括用于耦合放电的线圈、用于提供能量的射频电源和匹配网络，以及提供放电空间的真空室。ICP的主体部分为一个圆柱形不锈钢真空室，其直径为40 cm，高度为2 5cm，如图4a为ICP的示意图。真空室四周有四个对称放置的法兰口，其中一对为有机玻璃观察窗，便于对等离子体放电状态的观察和测量中的空间定位。ICP放电过程是复杂的，其等离子体的参数取决于多种因素，如放电类型、放电功率、真空室内压力、线圈与等离子体的作用、线圈的形状和位置等。图4b显示了使用HCN干涉仪系统在功率为8 0 0 W、压强为50 Pa的情况下测量的ICP的弦平均电子密度，其弦平均密度大约为310 m。4实验结果在ICP功率为10 0 0 W，压强为6 0 Pa时，使用DI系统测量的ICP放电中的最大弦平均电子密度为 1.910 18 m,如图 5 所示。3200510 152025 303540时间/s图5使用DI系统测量的ICP电子密度在本次密度测量中，ICP源的放电功率和压强相比之前都较高；测量结果如图5所示，可以看到，等离子体密度有较大提升，同时也证明了二氧化碳色散干涉仪在ICP源密度测量的可行性。5总结CO2色散干涉仪系统在高电子密度测量中具有显著优势，它不仅不受机械振动的影响，而且可以消除密度条纹误差。通过测量ICP的电子密度的结果可以证明：色散干涉仪的基线足够小，可以测量ICP或EAST等其他聚变装置上的电子密度。在ICP功率为10 0 0 W、气压为6 0 Pa时，采用DI的ICP的最大弦平均电子密度为1.910 18 m，这与ICP装置上HCN干涉仪系统的测量结果相参照是合理的，表明CO2色散干涉仪系统可以测量ICP等离子体的电子密度。因其波长的优势，DI系统不受机械振动的影响，因此可用于未来大型聚变装置的高电子密度测量。参考文献：1 Kawahata K,Tanaka K,Ito Y,et al.Far infrared laser203第2 期李梦鸽等：基于电感涉仪搭建和测试interferometer system on the Large Helical Device J.Rev.Sci.Instrum.,1999,70(1):707-709.2 Braithwaite G,Gottardi N,Magyar G,et al.Jetpolari-interferometer.Rev.Sci.Instrum.,1989,60(9):2825-2834.3 Hopf F A,Tomita A,Aljumaily G.2nd-harmonicinterferometers J.Optics Letters,1980,5(9):386-388.4Akiyama T,Kawahata K,Yasuhara R,et al.Dispersioninterferometer for Large Helical Device.Journal ofInstrumentation,2012,7:8.5 Shimomura Y,Aymar R,Chuyanov V A,et al.ITER-FEAT operation JJ.Nucl.Fusion,2001,41(3):309-316.6Ohyabu N,Morisaki T,Masuzaki S,et al.Observationof stable superdense core plasmas in the large helicaldevice J.Phys.Rev.Lett.,2006,97(5):4.7Bagryansky P A,Khilchenko A D,Kvashnin A N,et al.Dispersion interferometer based on a CO2 laser forTEXTOR and burning plasma experiments 1.Rev.Sci.Instrum.,2006,77(5):7.8Kornejew P,Dreier H,Solomakhin A,et al.Comparisonof dispersion interferometer and 2-colour interferometerfor W7-X with respect to their sensibility to mechanicalvibrations C.39th EPS Conference on Plasma Physicsand 16th International Congress on Plasma Physics,2012.9Wang H X,Zhou Y,Li Y,et al.A new dispersioninterferometer on HL-2A J.Rev.Sci.Instrum.,2017,88(10):7.10 Li W M,Liu H Q,Zeng L,et al.Bench test of phasemeasurement on dispersion interferometer for EAST J.Rev.Sci.Instrum.,2019,90(2):3.Installation and bench test of CO2 dispersive interferometersbased on inductively coupled plasma sourceLI Meng-gel.2,ZHANG Shou-biao,LI Wei-ming,LIU Hai-qing,ZHANG Yao,JIE Yin-xian,LIAN Huil.3(1.Institute of Plasma Physics,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031;2.University of Science and Technology of China,Hefei 230026;3.University of California Los Angeles,Los Angeles,California 90095,USA)Abstract:A CO2 dispersion interferometer for horizontal single-channel measurement without a dampingsystem has been successfully installed on an inductively coupled plasma(ICP)source to measure thechord-integrated electron density of the plasma and compared with the data of HCN interferometer.The results ofthe instrument prove the feasibility of the CO2 dispersion interferometer.Key words:CO2 dispersion interferometer;Nonlinear crystal;Photoelastic modulator(PEM);Inductivelycoupledplasma