EAST远红外DCN激光干涉仪研制进展课件

1、ASIPP EAST多道远红外DCN激光干涉仪研制进展高翔，揭银先，刘海庆，程永飞，童兴德，M.ASIF，高丽2004年8月27日第1页，共30页。EAST托卡马克DCN激光干涉仪研制的意义DCN激光干涉仪研制进展困难和解决的办法小结汇报提纲第2页，共30页。1、HCN远红外激光波长为337m，EAST的等离子体中心到窗口的距离大于4米，因而利用EAST同一个垂直窗口最多只能做到四道远红外HCN激光干涉仪。 如果把HCN远红外激光器换为DCN远红外激光器，其波长为195m，可以做到六道DCN远红外激光干涉仪。所以，研制DCN激光器可以得到更高精度的等离子体截面上的电子密度的空间分布。 为什么在

2、EAST上要研制DCN激光干涉仪？第3页，共30页。2、在沿波的传播方向上，等离子体有横向密度梯度时，探测束将产生由于折射率变化引起的折射现象，使光束偏离直线传播，这对于干涉测量有重要的影响，特别是在多道干涉仪中，严重的折射现象将会使不同的干涉道之间产生串扰。若密度分布是抛物线分布，ne0为中心的电子密度。干涉仪窗口到等离子体截面中心距离为Z0，则由于折射效应造成的出射束在窗口处的最大位置偏差为： 8.9710-162ne0Z0 对于EAST超导托卡马克，放电运行有更高的等离子体电子密度，要求探测束波长更小。保证正确可靠的等离子体密度测量，也需要产生激光波长更小的DCN激光器。 第4页，共30

3、页。3、DCN激光器比HCN激光器的输出功率大。同样尺寸的 DCN激光器输出功率比HCN激光器大一倍左右。第5页，共30页。4、DCN激光器和HCN激光器在结构和原理上相似。从我所和国内的研究情况看，在采用电激励远红外激光器测量托卡马克等离子体电子密度方面，技术较成熟。我们曾先后在HT-6B、HT-6M和HT-7上成功地研制过单道和多道HCN激光干涉仪，实现长期可靠的稳定运行，积累了多方面的成功经验，有很好的技术基础。 我们此次要研制开发的大功率连续波DCN激光器成功后将极大的缩小与国外在远红外激光诊断方面的差距；也是为将建成的EAST超导托卡马克提供可靠的等离子体电子密度测量奠定基础。 第6

4、页，共30页。EAST托卡马克DCN激光干涉仪研制的意义DCN激光干涉仪研制进展困难和解决的办法小结第7页，共30页。 DCN激光器研制进展2003年春天以来，已成功地研制出两台DCN激光器，一台用于台面实验，一台用于EAST干涉仪。第8页，共30页。 DCN激光器结构示意图这是一台直流电激励连续辉光放电的波导型远红外DCN激光器。 放电管：材料为17#玻璃，内径48mm，外径54 mm，长3.4 m，放电长度为3 m。放电管外面装有油套冷却系统，油温由超级恒温器控制。 电极：辉光放电的两个电极用黄铜或其他材料做成，内衬有低溅射率的稀有金属或其化合物。谐振腔：DCN激光器的谐振腔为波导型谐振腔

5、，拟采用平面腔形式。腔的一端是平面反射镜，用千分尺调节反射镜的水平位移，用螺钉调节其角度，以得到所需的激光模式和稳定、理想的激光输出功率。腔的另一端用金属镍网作耦合输出。在金属网前5mm处平行地安装五根直径50 m的钨丝，这样就可以得到线偏振的激光输出，偏振方向垂直于钨丝。输出窗口用X切石英片密封。用四根直径25mm的因瓦合金将激光管紧紧地连成一体，这样激光器具有一定的稳定性和机械稳定性。 第9页，共30页。用四根直径25mm的因瓦（Invar）合金 代替石英玻璃管固定激光器，使之具有更高的热稳定性和机械稳定性。 在腔的两端使用侧密封的机械结构，这样就不必要在每次开腔后都要对光。 mirror

6、Laser tubeLaser tubeLaser tubemeshCrystal plate激光器的改进：第10页，共30页。 工作气体和清洗气体多路流量计真空系统： 一台旋片式真空泵通过一个玻璃缓冲瓶与放电管相接，其极限真空度可达5Pa。工作气体或清洗气体由多路流量计控制进入放电管（可用计算机实施远程控制）。 第11页，共30页。 DCN研制进展电源：一台20KVA高压开关恒流源，输出电流在0.52.0A范围内连续可调，输出电压在2.5KV7KV内变化。 激光器的运行温度由放电管外面油套冷却系统控制，油套内灌201#甲基硅油，油温由超级恒温器控制（最高温度200oC）。 第12页，共30页

7、。 DCN激光器的气体配比实验 对影响出光功率和放电稳定性的气体配比、油温、放电电流和气体压力进行大量的台面实验： 激光功率随油温的变化激光功率随放电电流的变化第13页，共30页。 气体比例： N2:CD4:He =8：10：75油温: 180oC放电电流: 1.2A气压: 70Pa以氦气、氮气和氘化甲烷为工作气体，在下列参数下获得最大DCN激光输出功率大于200mW（接近国外文献给出的值）。H.Q.Liu et al., Interl J IR & MMW 2004第14页，共30页。 但是使用N2:CD4:He 混合气体DCN 激光器壁上会有附着物沉积，激光器的输出功率将会严重下降，典型值

8、为100小时放电，功率下降90%。这在连续运行的EAST上是不能忍受的。棕色附着物第15页，共30页。 根据我们运行HCN激光器的经验，用氘气（D2） 代替 He ，利用D2的清洗作用阻止附着物的产生。实验证明这是成功的。即使在较低的温度下，运行60多小时也未发现附着物的生成。在下列优化参数下，获得大于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页，共30页。 DCN

9、激光器的输出特性研究 输出模式的观测：1为195m，2为190m 输出光束在远场的特性 输出光束在近场的特性 L.Gao et al., Interl J IR & MMW 2004第17页，共30页。 DCN干涉仪EAST 窗口布局图 DCN干涉仪窗口（东南方）第18页，共30页。Side-view of DCN Interferometer on EASTDCN干涉仪研制进展第19页，共30页。 Top-view of DCN interferometer on EAST第20页，共30页。 Optic arrangement of DCN interferometer on EASTDC

10、N干涉仪研制进展第21页，共30页。EAST托卡马克DCN激光干涉仪研制的意义DCN激光干涉仪研制进展困难和解决的办法小结第22页，共30页。困难和解决的办法潮湿空气(水蒸气）对DCN激光功率的吸收P(z)=P0exp(-z) P0为激光器出光窗口处的输出功率 P(z)为距激光器出光窗口距离为z处的激光功率 为潮湿空气对激光的吸收率 195=0.125 (温度为15 ，绝对湿度为1gm-3，相对湿度8%) 这是文献提供的数据。第23页，共30页。我们实验中测量的数据：P0=108mW 室温22oC 相对湿度50% （合肥地区正常湿度）Z: 6m 12.5mP(z): 45mW 10mW: 0.

11、21 0.23 对于EAST干涉仪，其光程大于20米，激光功率会衰减到不足1%。所以整个光路需要密封，给设计和调节光路带来困难。除了采取密封措施外，目前正在联系采购国外更高灵敏度的探测器（如InTe探头）。第24页，共30页。氘化甲烷（CD4）气体须从国外购买，价格较贵。为节约用气，拟采用计算机远程控制流量计关断的方法。在装置放电间歇期，关断氘化甲烷的流量，以达到节约用气的目的。第25页，共30页。为解决传统的钽阴极容易打火和寿命不长的问题，拟采用六硼化镧（LaB6）阴极结构：LaB6是很好的热电子发射材料，可以在可拆卸的真空系统中使用，耐离子轰击、蒸发率低、抗溅射，寿命更长,基本性能：熔点 2500电子逸出功 2.662.68ev平均发射电流密度 8A/cm2使用温度 1300抗中毒性 可反复暴露大气第26页，共30页。M.Asif et al., Interl J. IR & MMW 2004LaB6阴极钽阴极已取得初步实验结果，尚需改进结构。第27页，共30页。EAST托卡马克DCN激光干涉仪研制的意义DCN激光干涉仪研制进展困难和解决的办法小结第28页，共30页。1、EAST远红外DCN激光干涉仪目前已经完成： DCN激光器的研制和相关台面实验； 干涉仪基本的光路安排； 光栅的加工； 相位差计。2、需要完成的工作：光栅的台面实验