本發(fā)明涉及磁約束聚變裝置離子尺度湍流測量，特別涉及一種測量磁約束聚變裝置低波數湍流的診斷系統(tǒng)及方法。

背景技術：

1、二氧化碳激光相干湯姆遜散射是測量等離子體寬波數湍流的關鍵技術之一。截止到2023年，基于相干散射的實驗技術已經在中國兩個主要的托卡馬克裝置上得到了發(fā)展，中國east托卡馬卡裝置上的二氧化碳激光相干湯姆遜散射系統(tǒng)可以在同一區(qū)域測量10-30cm-1波數范圍內的湍流信息，中國hl-2a托卡馬卡裝置上的二氧化碳激光相干湯姆遜散射系統(tǒng)可以測量10-50cm-1波數范圍內的湍流信息。

2、現有技術的不足之處在于，在盡可能減小托卡馬克裝置真空室開設孔徑的條件下，二氧化碳激光相干湯姆遜散射診斷在寬波數湍流測量中具有相當大的潛力。但該種診斷的測量尺度不夠多樣化，同一區(qū)域的湍流信息測量尺度小，目前僅能對電子尺度湍流進行監(jiān)測，無法對離子尺度湍流展開測量，需要更低波數的診斷。

3、對于電子尺度測量而言，高功率的主光束(～8w)會在進入裝置前分離出相應散射角度的低功率本振光(～1mw)，兩者之間的功率比約為1：0.0001。本振光和主光束一起進入裝置被等離子體散射后，散射光將會和本振光耦合，經探測器收集從而得到對應尺度的湍流信息。但對于離子尺度的監(jiān)測而言，主要面臨兩個難題，首先是光束分離，波數為5cm-1的測量對應0.05°的極小散射角，主光束和本振光的分離極其困難，二者難以區(qū)分。其次是信號探測，高功率的主光束容易在極小的角度內發(fā)生位移，使高斯光束的中心偏離，從而擊穿探測器的探頭。

技術實現思路

1、本發(fā)明的目的克服現有技術存在的不足，為實現以上目的，采用一種測量磁約束聚變裝置低波數湍流的診斷系統(tǒng)及方法，以解決上述背景技術中提出的問題。

2、一種測量磁約束聚變裝置低波數湍流的診斷系統(tǒng)，所述診斷系統(tǒng)包括金膜平面反射鏡、硫化鋅鏡片、鋁合金擋板、第一圓形光闌、第二圓形光闌、第三圓形光闌、聚焦透鏡，以及碲鎘汞探測器；

3、所述金膜平面反射鏡，用于改變主激光和散射光耦合形成的混合光的方向；

4、所述硫化鋅鏡片，用于改變混合光中主激光和散射光的比例以光束分離；

5、所述鋁合金擋板，用于遮擋從east托卡馬克裝置出射的大部分的高功率主激光；

6、所述第一圓形光闌，用于選擇低波數范圍的混合光并控制功率大小；

7、所述第二圓形光闌和第三圓形光闌，用于屏蔽雜散光、準直光路并將混合光匹配進探測器中；

8、所述聚焦透鏡，用于聚焦從east托卡馬克裝置出射且沿特定方向傳播的混合光；

9、所述碲鎘汞探測器，用于接收特定方向的等離子體散射光信號。

10、作為本發(fā)明的進一步的方案：所述金膜平面反射鏡為圓形結構，其表面均為鍍金反射膜，且對波長10.6μm二氧化碳激光反射率大于95％。

11、作為本發(fā)明的進一步的方案：所述硫化鋅鏡片包括鍍有增透膜的第一正向面、未鍍膜的第二正向面，以及鍍有增透膜的背向面。

12、作為本發(fā)明的進一步的方案：所述增透膜的設置角度為45°，即對45°二氧化碳激光增透。

13、作為本發(fā)明的進一步的方案：所述鋁合金擋板的遮擋比例，根據所測波數范圍進行選擇。

14、作為本發(fā)明的進一步的方案：所述第一圓形光闌通過調整光闌三維位置，以及孔徑大小，對波數范圍進行選擇，同時控制混合光的功率大小。

15、作為本發(fā)明的進一步的方案：所述聚焦透鏡的焦距f＝25cm，口徑φ＝3cm。

16、另一方面的技術方案：一種應用如上述任一項所述的一種測量磁約束聚變裝置低波數湍流的診斷系統(tǒng)的診斷方法，包括以下步驟：

17、步驟s1、二氧化碳激光經過east聚變裝置后變?yōu)橹骷す夂蜕⑸涔獾幕旌瞎?，首先經金膜平面反射鏡反射，改變光束傳播方向；

18、步驟s2、混合光經過鍍有增透膜的硫化鋅鏡片完成分束，大部分的主激光通過高透過率區(qū)域被鋁合金擋板遮擋，所需混合光通過低透過率區(qū)域到達第一圓形光闌，在分束后的混合光中，主激光和散射光的比例發(fā)生改變，散射光占比增多；

19、步驟s3、分束后的混合光經過第一圓形光闌后，功率減小，通過控制光闌位置及孔徑大小，完成對湍流測量波數范圍的選擇；

20、步驟s4、經選擇后的混合光在第二圓形光闌和第三圓形光闌的準直下，到達在聚焦透鏡的鏡面中心；同時，光闌能夠避免雜散光進入探測器造成探頭損傷；

21、步驟s5、聚焦透鏡將聚焦上述特定方向傳播的混合光，并成像至碲鎘汞探測器的探頭感光區(qū)域。

22、作為本發(fā)明的進一步的方案：所述第二圓形光闌和第三圓形光闌，用于屏蔽非理想的高斯光束的雜散光，避免雜散光進入探測器造成探頭損傷。

23、作為本發(fā)明的進一步的方案：所述聚焦透鏡聚焦從east托卡馬克裝置出射且沿特定方向傳播的混合光，并成像至碲鎘汞探測器的探頭感光區(qū)域，其視場角為2°。

24、與現有技術相比，本發(fā)明存在以下技術效果：

25、采用上述的技術方案，通過設計新的分光光路，利用特殊鍍膜的硫化鋅鏡片來控制光反射和透射的比例以分離主激光和散射光，能夠實現低波數湍流的測量。

技術特征：

1.一種測量磁約束聚變裝置低波數湍流的診斷系統(tǒng)，其特征在于，所述診斷系統(tǒng)包括金膜平面反射鏡、硫化鋅鏡片、鋁合金擋板、第一圓形光闌、第二圓形光闌、第三圓形光闌、聚焦透鏡，以及碲鎘汞探測器；

2.根據權利要求1所述一種測量磁約束聚變裝置低波數湍流的診斷系統(tǒng)，其特征在于，所述金膜平面反射鏡為圓形結構，其表面均為鍍金反射膜，且對波長10.6μm二氧化碳激光反射率大于95％。

3.根據權利要求1所述一種測量磁約束聚變裝置低波數湍流的診斷系統(tǒng)，其特征在于，所述硫化鋅鏡片包括鍍有增透膜的第一正向面、未鍍膜的第二正向面，以及鍍有增透膜的背向面。

4.根據權利要求1所述一種測量磁約束聚變裝置低波數湍流的診斷系統(tǒng)，其特征在于，所述增透膜的設置角度為45°，即對45°二氧化碳激光增透。

5.根據權利要求1所述一種測量磁約束聚變裝置低波數湍流的診斷系統(tǒng)，其特征在于，所述鋁合金擋板的遮擋比例，根據所測波數范圍進行選擇。

6.根據權利要求1所述一種測量磁約束聚變裝置低波數湍流的診斷系統(tǒng)，其特征在于，所述第一圓形光闌通過調整光闌三維位置，以及孔徑大小，對波數范圍進行選擇，同時控制混合光的功率大小。

7.根據權利要求1所述一種測量磁約束聚變裝置低波數湍流的診斷系統(tǒng)，其特征在于，所述聚焦透鏡的焦距f＝25±0.2cm，口徑φ＝3±0.1cm。

8.一種應用如權利要求1至7任一項所述的一種測量磁約束聚變裝置低波數湍流的診斷系統(tǒng)的診斷方法，其特征在于，包括以下步驟：

9.根據權利要求8所述一種測量磁約束聚變裝置低波數湍流的診斷系統(tǒng)，其特征在于，所述第二圓形光闌和第三圓形光闌，用于屏蔽非理想的高斯光束的雜散光，避免雜散光進入探測器造成探頭損傷。

10.根據權利要求8所述一種測量磁約束聚變裝置低波數湍流的診斷系統(tǒng)，其特征在于，所述聚焦透鏡聚焦從east托卡馬克裝置出射且沿特定方向傳播的混合光，并成像至碲鎘汞探測器的探頭感光區(qū)域，其視場角為2°。

技術總結
本發(fā)明公開了一種測量磁約束聚變裝置低波數湍流的診斷系統(tǒng)及方法，包括金膜平面反射鏡，用于改變主激光和散射光耦合形成的混合光的方向；硫化鋅鏡片，用于改變混合光中主激光和散射光的比例以光束分離；鋁合金擋板，用于遮擋出射的大部分的高功率主激光；第一圓形光闌，用于選擇低波數范圍的混合光并控制功率大小；第二圓形光闌和第三圓形光闌，用于屏蔽雜散光、準直光路并將混合光匹配進探測器中；聚焦透鏡，用于聚焦出射且沿特定方向傳播的混合光；碲鎘汞探測器，用于接收特定方向的等離子體散射光信號。本發(fā)明通過利用特殊鍍膜的硫化鋅鏡片來控制光反射和透射的比例以分離主激光和散射光，能夠實現磁約束聚變裝置中低波數湍流的測量。

技術研發(fā)人員：李磐,孫寧,李亞東,耿靖森,陳斐,李鈺鑫
受保護的技術使用者：中國科學院合肥物質科學研究院
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/9