基于HL?2A托卡馬克斜窗口光路設計

摘 要： 在HL_2A托卡馬克裝置上，利用電荷交換復合光譜方法測量高溫等離子體的粒子參數是十分有效的。為了獲得在可見光譜段480～650 nm的信號，滿足在斜視的空間幾何位置上獲得較大的觀察視場，以及要滿足光纖數值孔徑很小等要求，利用ZEMAX光學設計軟件設計了一組由一個反射鏡，4片透鏡組成的光學系統，并且利用像面最大彌散光斑的尺寸驗證了系統的有效性。

關鍵詞： 高溫等離子體診斷； 電荷交換復合光譜； 光學系統設計； 彌散斑

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）16?0118?02

0 引 言

在聚變等離子體診斷的實驗過程中，電荷交換復合光譜法（Charge eXchange Recombination Spectroscopy， CXRS）由于其自身的優點，在各個托卡馬克裝置中都有廣泛的應用。CXRS可以對離子溫度，極向與環向的旋轉速度，雜質密度和輸運情況進行測量[1?3]。CXRS主要利用對外部注入中性粒子束與等離子體中的離子的相互作用中產生的光譜，利用高分辨率光譜儀對光譜進行采集，然后通過分析數據，并利用多普勒頻移理論，就可以得到等離子體中某離子的溫度，密度，旋轉速度等相關參數。本文主要針對HL?2A托卡馬克裝置上，真空壁上的一個斜窗口，來設計對460～680 nm可見光信號的采集的前端光學聚焦系統。該系統具有大視場、寬光束、高分辨率等的應用要求。

1 CXRS測量原理簡介

電荷交換復合譜診斷主要利用中性束注入等離子體后，與等離子發生電荷交換反應，使粒子稱為類氫原子，該粒子處于高能態的電子向低能態躍遷產生的輻射的光譜，如下面的公式：[H0b+An+=H+b+A（n-1）++hv]，下標b代表中性束粒子A代表等離子體中的雜質，如碳、氧、氦等。[hv]就是要采集的光信號，在實驗中主要采集CVI（529.5 nm）波長處的光。讓后通過測量出多普勒頻移參量，就可以測出需要的等離子溫度、旋轉速度[1，3?7]。

2 光學系統的設計

需要設計的空間位置如圖1所示，由圖可以看出此光學系統的物面與中心觀察線路不垂直，由一定角度的傾斜，且由于光線從斜窗口出來，直接正對的位置，外部可利用空間不大，于是需要先加一個反射鏡，再通過透鏡組。由于可以利用的空間不大，且要求透鏡后方接光纖，然后把信號輸送到光信號采集儀器上，所以要求光學系統要盡可能的短，也就是要求有效焦距要短，且要求像方數值孔徑要小，能夠符合光纖的性質要求。

為了提高像面出的成像質量，系統所包含的鏡片數量要盡量少，由于非球面鏡在加工的時候比較困難，所以在設計的時候都透鏡的各個面采用球面或者平面。本文在設計的時候選擇了一個反射鏡和4片球面透鏡的初始結構。在ZEMAX中的初始結構如圖2所示，此結構在像平面上所形成的彌散光斑圖像大小，最大半徑為1 000 μm，系統總長度412.2 mm，有效焦距為151 mm，像方數值孔徑約為0.38。顯然是不滿足光纖的0.18～0.22的要求。

再利用ZEMAX的優化功能對該系統進行優化。通過設置系統的像差取值范圍，讓ZEMAX優化透鏡各個面的曲率，孔徑大小，以及各個面之間的距離得到了圖3的彌散光斑圖像，這里最大的彌散光斑為300 μm大小，滿足了系統的要求。

而系統由于物面并非與中心軸線垂直，有一定角度的傾斜，所以物面也有一定的傾斜，經過計算知道，物面大約有0.793°傾斜。同時為了利于加工方便，透鏡的邊緣和透鏡間的距離都得到了相應的優化。

3 實驗應用

在HL?2A裝置上實驗中，由于在采集系統在顯示數據的時候，是把數據左右位置反向放置的，所以數據如圖4中顯示，右方的高峰就是所要觀察的CVI（529.5 nm）信號。

4 結 語

本文介紹了HL?2A裝置上用于電荷交換復合光譜法診斷的斜窗口光路的設計，利用ZEMAX光學設計軟件進行了對該光路系統的優化，使得該系統達到了實際應用的要求。并且在HL?2A裝置上由實驗采集的數據也驗證了該系統的有效性。

參考文獻

[1] 韓曉玉.CXRS離子溫度診斷技術在HL?2A托卡馬克裝置上的發展應用研究[D].成都：核工業西南物理研究院，2010.

[2] SMITH R R， STRATHMAN M D. High?power neutral deuterium beam species measurement by neutralizer fusion product analysis [J]. Rev. Sci. Instrum.， 1982， 53（10）： 1513?1516.

[3] 張國平.診斷中性束在合肥托卡馬克等離子體中的衰減計算[J].核技術，2007，30（12）：31?33.

[4] 韓仁智.基于HT?7診斷中性束束成分的光譜法分析研究[M]. 合肥：合肥工業大學，2007.

[5] 鐘武律，段旭如，余德良，等.HL?2A托克馬克中性束輻射光譜的數值模擬[J].物理學報，2010，59（5）：6?9.

[6] 楊立梅.HL?2A中性束注入系統光譜診斷研究[D].成都： 核工業西南物理研究院，2009.

[7] 薛雷.托卡馬克裝置雜質離子溫度與旋轉速度的測量[J].現代電子技術，2013，36（2）：116?118.