適用于east邊界湯姆遜散射診斷的光學定位系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于EAST邊界湯姆遜散射診斷的光學定位系統(tǒng)，包括設置在EAST裝置湯姆遜散射診斷信號收集窗窗體內(nèi)部的信號收集透鏡、信號收集光纖陣列、光纖位置定位系統(tǒng)，其中光纖位置定位系統(tǒng)沿前后水平方向整體設置在湯姆遜散射診斷信號收集窗窗體內(nèi)位于窗口下方，光纖位置定位系統(tǒng)中靶板連接軸前端伸入EAST裝置真空室內(nèi)并垂直裝配有光學靶板，光學靶板向上延伸至位于湯姆遜散射診斷信號收集窗窗口后方，信號收集透鏡、信號收集光纖陣列依次位于窗口正前方。
【專利說明】
適用于EAST邊界湯姆遜散射診斷的光學定位系統(tǒng)
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及EAST裝置領域，具體是一種適用于EAST邊界湯姆遜散射診斷的光學定位系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]電子的溫度與密度是表征等離子體特性的重要參數(shù)，獲取等離子體電子溫度與密度剖面分布及其隨時間演化，對磁約束核聚變實驗裝置托卡馬克的運行和物理研究均具有重要意義。在核聚變實驗領域，等離子體電子的溫度和密度普遍以激光湯姆遜散射測量結果為基準，因此，激光湯姆遜散射診斷系統(tǒng)成為各大受控熱核聚變實驗裝置重要診斷之一。湯姆遜散射診斷是利用高能脈沖激光穿越真空室內(nèi)的等離子體，通過測量電子在激光作用下產(chǎn)生的二次輻射譜(即湯姆遜散射光譜)來獲得等離子體電子的溫度與密度，其中譜的形狀與強度分別與電子的溫度與密度有關，經(jīng)過標定的譜的形狀與強度可獲得電子的溫度與密度。對于聚變實驗裝置，隨著物理研究的需求，為獲得不同位置等離子體電子的溫度與密度，芯部、邊界與偏濾器湯姆遜散射診斷系統(tǒng)會逐漸被搭建。EAST托卡馬克是我國自主研制的最大型的聚變實驗裝置，其發(fā)展的診斷跟物理研究都處于國內(nèi)領先水平。目前，芯部湯姆遜散射診斷系統(tǒng)已具有較高的系統(tǒng)性能，隨著物理研究的需求，需擴展邊界湯姆遜散射診斷系統(tǒng)以及與其相應的配套設施，包括了激光光源，光路傳輸系統(tǒng)，信號收集系統(tǒng)，分光光譜儀，信號采集與處理系統(tǒng)以及光纖位置定位系統(tǒng)等。其中，光纖位置定位系統(tǒng)用于建立真空室內(nèi)產(chǎn)生的湯姆遜散射信號與信號收集光纖的對應關系。通常采用順著光路移動銳角型靶板將診斷光束反射收到信號收集窗口，調(diào)整信號收集光纖的方法對信號收集光纖的位置進行定位(見文獻Applied Mechanics and Materials Vol.432 (2013) pp 500-506)。然而，對于EAST邊界湯姆遜散射診斷系統(tǒng)，由于EAST邊界診斷光束位置與方向的特殊性，以及光纖位置定標系統(tǒng)安裝空間的特殊性與局限性(光纖位置定標系統(tǒng)安裝于湯姆遜散射診斷的信號收集窗口)，不能采用常規(guī)的方法對光纖的位置進行定位。圖1顯示了EAST邊界湯姆遜散射診斷系統(tǒng)傳輸在真空室內(nèi)部的光束，水平傳輸且靠近真空外壁。
[0003]
【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明的目的是提供一種適用于EAST邊界湯姆遜散射診斷的光學定位系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術EAST裝置真空室中，EAST邊界湯姆遜散射診斷系統(tǒng)光束傳輸位置與方向的特殊性以及光纖位置定位系統(tǒng)安裝條件存在局限性，信號收集光纖位置難以精確定位的問題。
[0004]為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案為:
適用于EAST邊界湯姆遜散射診斷的光學定位系統(tǒng)，其特征在于:包括設置在EAST裝置湯姆遜散射診斷信號收集窗窗體內(nèi)部的信號收集透鏡、信號收集光纖陣列、光纖位置定位系統(tǒng)，其中光纖位置定位系統(tǒng)包括真空密封導管，真空密封導管上同軸套裝有圓筒，圓筒內(nèi)固定有外磁體結構，所述外磁體結構同軸套裝在圓筒內(nèi)的真空密封導管上，且外磁體結構、圓筒分別與真空密封導管之間相對滑動及轉動配合，由圓筒、外磁體結構構成外直線旋轉機構，真空密封導管內(nèi)位于外磁體結構所在位置同軸設有空心圓柱體，所述圓柱體與真空密封導管之間相對滑動及轉動配合，圓柱體內(nèi)設有內(nèi)磁體結構，內(nèi)磁體結構與所述外磁體結構之間形成磁性親合，由圓柱體、內(nèi)磁體結構形成內(nèi)直線旋轉機構，內(nèi)直線旋轉機構中圓柱體前端中心同軸連接有無磁材料制成的靶板連接軸，靶板連接軸從真空密封導管前端穿出，由內(nèi)、外直線旋轉機構和靶板連接軸構成磁耦合直線旋轉導入器;所述光纖位置定位系統(tǒng)沿前后水平方向整體設置在湯姆遜散射診斷信號收集窗窗體內(nèi)位于窗口下方，光纖位置定位系統(tǒng)中靶板連接軸前端沿前后水平方向穿過窗口下方的窗壁伸入EAST裝置真空室內(nèi)部，靶板連接軸前端軸身上垂直裝配有光學靶板，且光學靶板向上延伸至位于湯姆遜散射診斷信號收集窗窗口后方，所述信號收集透鏡、信號收集光纖陣列依次位于窗口正前方。
[0005]所述的適用于EAST邊界湯姆遜散射診斷的光學定位系統(tǒng)，其特征在于:所述光纖位置定位系統(tǒng)中，真空密封導管前端同軸裝配有刀口法蘭。
[0006]所述的適用于EAST邊界湯姆遜散射診斷的光學定位系統(tǒng)，其特征在于:所述光纖位置定位系統(tǒng)中，構成外直線旋轉機構的圓筒前、后端與真空密封導管結合處對應套裝有前、后鎖緊機構，前、后鎖緊機構結構相同，均包括斷開的圓環(huán)，圓環(huán)套在圓筒對應端與真空密封導管結合處，圓環(huán)斷口處兩端通過鎖緊螺栓和鎖緊螺母鎖緊連接，由前、后鎖緊機構將外直線旋轉機構固定在真空密封導管上。
[0007]所述的適用于EAST邊界湯姆遜散射診斷的光學定位系統(tǒng)，其特征在于:所述光纖位置定位系統(tǒng)中，光學靶板通過螺合安裝在靶板連接軸上的靶板鎖緊螺母垂直裝配在靶板連接軸前端。
[0008]所述的適用于EAST邊界湯姆遜散射診斷的光學定位系統(tǒng)，其特征在于:所述光纖位置定位系統(tǒng)中，構成外直線旋轉機構的圓筒后端筒壁上固定連接有帶有刻度的輸運與轉動桿，輸運與轉動桿向后從湯姆遜散射診斷信號收集窗穿出，且湯姆遜散射診斷信號收集窗內(nèi)設有支撐光纖位置定位系統(tǒng)的支撐底座。
[0009]本發(fā)明工作過程為:
手動推動光纖位置定位系統(tǒng)的輸運與轉動桿，安裝在光纖位置定位系統(tǒng)靶板連接軸上的光學靶板會往真空室內(nèi)部方向移動，當光學靶板移動至邊界診斷光束位置時，光束將會被光學靶板反射到湯姆遜散射診斷系統(tǒng)的信號收集窗，根據(jù)被反射光束的位置調(diào)整信號收集光纖陣列的位置，以致被反射光束能完全進入信號收集光纖一字陣列的一根光纖中；然后，將光學靶板再往真空室內(nèi)部移動一段距離，轉動靶板，邊界光束將再次被反射回到信號收集窗口，根據(jù)第二次被反射的光束的位置再次調(diào)整信號收集光纖陣列的位置，以致被第二次反射光束能完全進入信號收集光纖一字陣列的另一個光纖中，根據(jù)兩點確定一條直線的原理，可以確定信號收集光纖一字陣列的具體位置。通過此過程能建立信號收集光纖陣列與真空室內(nèi)邊界湯姆遜散射信號位置的對應關系。另外，輸運與轉動桿帶有刻度能確定散射信號來自真空室的具體位置。
光學靶板在真空室內(nèi)部的移動與轉動是通過磁耦合直線旋轉導入器實現(xiàn)的，具體如下:
磁耦合直線旋轉導入器由內(nèi)、外直線旋轉機構、靶板連接軸構成，外直線旋轉機構是一個帶外磁體結構的圓筒，被套在真空密封導管上，內(nèi)直線旋轉機構是帶內(nèi)磁體結構的圓柱體，被安裝在真空密封導管內(nèi)部，外直線旋轉機構與內(nèi)直線旋轉機構形成磁性耦合，由于磁性耦合力的作用，外直線旋轉機構的移動與轉動能夠帶動內(nèi)直線旋轉機構的移動與轉動；靶板連接軸是由無磁不銹鋼材料制成的絲桿，通過焊接的方式與內(nèi)直線旋轉機構相連;光學靶板通過靶板鎖緊螺母固定在靶板連接軸上；因此，當移動與旋轉外直線旋轉機構時，通過磁性耦合力的作用，伸入真空室內(nèi)部的光學靶板就會發(fā)生相應的移動與旋轉。前、后鎖緊機構是帶鎖緊螺栓和螺母的斷開的圓環(huán)，被套在真空密封導管上，在外直線旋轉機構的前、后端，用于固定外直線旋轉機構。
[0010]本發(fā)明的理論依據(jù)是:光學靶板表面拋光、上部扭轉特殊角度，此角度由邊界診斷(邊界湯姆遜散射診斷的簡寫)光路傳輸?shù)姆较蚺c信號收集光纖接收信號方向的夾角決定，能將入射到其表面的光束反射到湯姆遜散射診斷系統(tǒng)的信號收集窗口，因此，通過移動與旋轉光學靶板將邊界診斷傳輸在真空室內(nèi)部光束上兩個不同位置的光束反射到信號收集窗口，調(diào)整信號收集光纖一字陣列使被反射的兩束光進入到信號收集光纖一字陣列的兩根光纖中，根據(jù)兩點確定一條直線的原理，就可以確定信號收集光纖一字陣列的具體位置。
[0011]本發(fā)明優(yōu)點為:
本發(fā)明公開了一種適用于EAST邊界湯姆遜散射診斷的光學定位系統(tǒng)，其中光學靶板是豎型的，下部與窗口平行避免與窗口的干涉，上部扭轉特殊角度能將邊界診斷光束反射到信號收集窗口；結合移動與轉動光學靶板的方法成功將邊界診斷光束上不同位置的光束反射到了信號收集窗口，實現(xiàn)了信號收集光纖一字陣列位置的精確定位;不僅建立了信號收集光纖一字陣列與真空室內(nèi)湯姆遜散射信號的對應關系，且能確定散射信號來自真空室內(nèi)的具體位置;具有體積小，占用空間小，易集成，易操作，可以同時進行直線與旋轉運動，能測量靶板在真空室的位置，能實現(xiàn)高真空密封的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0012]圖1為真空室內(nèi)邊界湯姆遜散射診斷光束傳輸圖。
[0013]圖2為本發(fā)明整體結構示意圖。
[0014]圖3為光學靶板扭轉角度與邊界診斷光束傳輸方向關系圖。
[0015]圖4為本發(fā)明中光纖位置定位系統(tǒng)結構圖。
[0016]圖5為本發(fā)明中光纖位置定位系統(tǒng)結構剖視圖。
【具體實施方式】
[0017]如圖2所示、圖4及圖5所示，適用于EAST邊界湯姆遜散射診斷的光學定位系統(tǒng)，包括設置在EAST裝置湯姆遜散射診斷信號收集窗9窗體內(nèi)部的信號收集透鏡7、信號收集光纖陣列8、光纖位置定位系統(tǒng)I，其中光纖位置定位系統(tǒng)I包括真空密封導管1.11，真空密封導管1.11上同軸套裝有圓筒，圓筒內(nèi)固定有外磁體結構1.6，外磁體結構1.6同軸套裝在圓筒內(nèi)的真空密封導管1.11上，且外磁體結構1.6、圓筒分別與真空密封導管1.11之間相對滑動及轉動配合，由圓筒、外磁體結構1.6構成外直線旋轉機構1.5，真空密封導管1.11內(nèi)位于外磁體結構1.6所在位置同軸設有空心圓柱體，圓柱體與真空密封導管1.11之間相對滑動及轉動配合，圓柱體內(nèi)設有內(nèi)磁體結構1.9，內(nèi)磁體結構1.9與外磁體結構1.6之間形成磁性耦合，由圓柱體、內(nèi)磁體結構1.9形成內(nèi)直線旋轉機構1.8，內(nèi)直線旋轉機構1.8中圓柱體前端中心同軸連接有無磁材料制成的靶板連接軸1.1，靶板連接軸1.1從真空密封導管1.11前端穿出，由內(nèi)、外直線旋轉機構1.8、1.5和靶板連接軸1.1構成磁耦合直線旋轉導入器;光纖位置定位系統(tǒng)I沿前后水平方向整體設置在湯姆遜散射診斷信號收集窗9窗體內(nèi)位于窗口下方，光纖位置定位系統(tǒng)I中靶板連接軸1.1前端沿前后水平方向穿過窗口下方的窗壁伸入EAST裝置真空室內(nèi)部，靶板連接軸1.1前端軸身上垂直裝配有光學靶板，且光學靶板向上延伸至位于湯姆遜散射診斷信號收集窗9窗口后方，信號收集透鏡7、信號收集光纖陣列8依次位于窗口正前方。
[0018]光纖位置定位系統(tǒng)I中，真空密封導管1.11前端同軸裝配有刀口法蘭1.3。
[0019]光纖位置定位系統(tǒng)I中，構成外直線旋轉機構1.5的圓筒前、后端與真空密封導管1.11結合處對應套裝有前、后鎖緊機構1.4、I，7，前、后鎖緊機構1.4、1.7結構相同，均包括斷開的圓環(huán)，圓環(huán)套在圓筒對應端與真空密封導管1.11結合處，圓環(huán)斷口處兩端通過鎖緊螺栓1.12和鎖緊螺母1.10鎖緊連接，由前、后鎖緊機構1.4、1.7將外直線旋轉機構1.5固定在真空密封導管1.11上。
[0020]光纖位置定位系統(tǒng)I中，光學靶板通過螺合安裝在靶板連接軸1.1上的靶板鎖緊螺母I.2垂直裝配在靶板連接軸1.1前端。
[0021]光纖位置定位系統(tǒng)I中，構成外直線旋轉機構1.5的圓筒后端筒壁上固定連接有帶有刻度的輸運與轉動桿10，輸運與轉動桿10向后從湯姆遜散射診斷信號收集窗9穿出，且湯姆遜散射診斷信號收集窗9內(nèi)設有支撐光纖位置定位系統(tǒng)I的支撐底座11。
[0022]光學靶板上部扭轉一定的角度，能將邊界診斷光束反射到湯姆遜散射診斷信號收集窗，此角度由邊界診斷光束的傳輸方向與信號收集光纖接收信號方向設定，如圖3所示，具體關系如下:邊界診斷光束為入射光線，信號收集光纖接收信號的方向為反射光線的方向，光學靶板為反射面，根據(jù)光學原理中的反射角等于入射角，邊界診斷光束與光纖光束夾角的平分線為法線，法線的垂直面即為需設置的光學靶板的平面，這樣光學靶板就能將邊界光束反射到信號收集光纖中，Θ角為靶板平面與邊界診斷光束的夾角。
[0023]將磁耦合直線旋轉導入器用支撐底座與密封法蘭固定在湯姆遜散射診斷系統(tǒng)的信號收集窗口。
[0024]用靶板鎖緊螺母將光學靶板固定到磁耦合直線旋轉導入器的靶板連接軸上，用螺母將輸運與轉動桿固定到磁耦合直線旋轉導入器的外直線旋轉機構上。
[0025]如圖2所示，手動推動輸運與轉動桿10，使其往真空室方向移動，光學靶板將往真空室內(nèi)部移動，當光學靶板移動至邊界診斷光束的位置3時，光束4將被光學靶板反射到湯姆遜散射診斷信號收集窗。
[0026]根據(jù)被反射光束的位置調(diào)整信號收集光纖的位置，以致被反射光束能完全進入信號收集光纖陣列8的一根光纖中，標記此位置作為信號收集光纖陣列8的精度位置的一個定位點。
[0027]繼續(xù)推動輸運與轉動桿10，使光學靶板再次往真空室內(nèi)部移動一段距離，然后轉動光學靶板至另一個位置5時，光學靶板會再次將邊界光束反射到信號收集窗口，根據(jù)被第二次反射光束6的位置再次調(diào)整信號收集光纖的位置，以致被第二次反射光束6能完全進入信號收集光纖陣列8的另一根光纖中，固定此時信號收集光纖陣列8的位置，即為信號收集光纖陣列8的精確位置。由于兩點確定一條線，根據(jù)此標定能建立信號收集光纖陣列跟真空室內(nèi)湯姆遜散射信號的對應關系。
[0028]信號收集光纖陣列8精確位置確定后，手動拉回輸運與轉動桿10，使光學靶板收回到窗口邊緣，避免其停留在真空室內(nèi)部，影響EAST實驗。
[0029]光學靶板被收回后，從磁耦合直線旋轉導入器上卸下輸運與轉動桿10，避免其太長妨礙窗口施工，另外，用雙鎖緊機構固定外直線旋轉機構，避免其移動或轉動。
[0030]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【主權項】
1.適用于EAST邊界湯姆遜散射診斷的光學定位系統(tǒng)，其特征在于:包括設置在EAST裝置湯姆遜散射診斷信號收集窗窗體內(nèi)部的信號收集透鏡、信號收集光纖陣列、光纖位置定位系統(tǒng)，其中光纖位置定位系統(tǒng)包括真空密封導管，真空密封導管上同軸套裝有圓筒，圓筒內(nèi)固定有外磁體結構，所述外磁體結構同軸套裝在圓筒內(nèi)的真空密封導管上，且外磁體結構、圓筒分別與真空密封導管之間相對滑動及轉動配合，由圓筒、外磁體結構構成外直線旋轉機構，真空密封導管內(nèi)位于外磁體結構所在位置同軸設有空心圓柱體，所述圓柱體與真空密封導管之間相對滑動及轉動配合，圓柱體內(nèi)設有內(nèi)磁體結構，內(nèi)磁體結構與所述外磁體結構之間形成磁性親合，由圓柱體、內(nèi)磁體結構形成內(nèi)直線旋轉機構，內(nèi)直線旋轉機構中圓柱體前端中心同軸連接有無磁材料制成的靶板連接軸，靶板連接軸從真空密封導管前端穿出，由內(nèi)、外直線旋轉機構和靶板連接軸構成磁耦合直線旋轉導入器;所述光纖位置定位系統(tǒng)沿前后水平方向整體設置在湯姆遜散射診斷信號收集窗窗體內(nèi)位于窗口下方，光纖位置定位系統(tǒng)中靶板連接軸前端沿前后水平方向穿過窗口下方的窗壁伸入EAST裝置真空室內(nèi)部，靶板連接軸前端軸身上垂直裝配有光學靶板，且光學靶板向上延伸至位于湯姆遜散射診斷信號收集窗窗口后方，所述信號收集透鏡、信號收集光纖陣列依次位于窗口正前方。2.根據(jù)權利要求1所述的適用于EAST邊界湯姆遜散射診斷的光學定位系統(tǒng)，其特征在于:所述光纖位置定位系統(tǒng)中，真空密封導管前端同軸裝配有刀口法蘭。3.根據(jù)權利要求1所述的適用于EAST邊界湯姆遜散射診斷的光學定位系統(tǒng)，其特征在于:所述光纖位置定位系統(tǒng)中，構成外直線旋轉機構的圓筒前、后端與真空密封導管結合處對應套裝有前、后鎖緊機構，前、后鎖緊機構結構相同，均包括斷開的圓環(huán)，圓環(huán)套在圓筒對應端與真空密封導管結合處，圓環(huán)斷口處兩端通過鎖緊螺栓和鎖緊螺母鎖緊連接，由前、后鎖緊機構將外直線旋轉機構固定在真空密封導管上。4.根據(jù)權利要求1所述的適用于EAST邊界湯姆遜散射診斷的光學定位系統(tǒng)，其特征在于:所述光纖位置定位系統(tǒng)中，光學靶板通過螺合安裝在靶板連接軸上的靶板鎖緊螺母垂直裝配在靶板連接軸前端。5.根據(jù)權利要求1所述的適用于EAST邊界湯姆遜散射診斷的光學定位系統(tǒng)，其特征在于:所述光纖位置定位系統(tǒng)中，構成外直線旋轉機構的圓筒后端筒壁上固定連接有帶有刻度的輸運與轉動桿，輸運與轉動桿向后從湯姆遜散射診斷信號收集窗穿出，且湯姆遜散射診斷信號收集窗內(nèi)設有支撐光纖位置定位系統(tǒng)的支撐底座。
【文檔編號】H05H1/00GK105979689SQ201610022314
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年1月12日
【發(fā)明人】肖樹妹, 田寶剛, 王騰飛, 韓效鋒, 臧慶, 趙君煜
【申請人】中國科學院等離子體物理研究所