一种实时波长匹配单色仪与波长监控系统的制作方法

本发明属于光谱测量领域，具体涉及一种解决随机多普勒频移的实时波长匹配单色仪与波长监控系统，主要应用于中性束发射的可见光谱诊断。

背景技术：

直线在受控核聚变实验研究中，用于约束等离子体的磁约束装置主要是托卡马克装置。基于中性束(NBI)对等离子体进行诊断系统之一的动态斯塔克偏振仪可以用于测量等离子体内部磁场结构，该参数对等离子体物理研究意义重大。其中，动态斯塔克偏振仪有一个滤光系统，对目标谱线进行滤光。国际上普遍采用滤光片为核心的单色仪系统。

该目标谱线特点是具有多普勒频移、谱线非常窄且附近有很多其他谱线的干扰。这要求滤光片中心波长与目标谱线波长匹配精度相比一般的单色仪要高出很多。由于多普勒效应，中性束能量变化导致目标谱线波长也会随之改变，此时滤光片中心波长也必须随之变化，才能保证滤光片中心波长与目标谱线波长匹配。

国际有两种通用方法。方法1：采用多块不同中心波长的滤光片，当中性束能量变化导致目标谱线移动时，选择中心波长与目标谱线波长一致的滤光片安装进行滤光。方法2：根据滤光片的中心波长会随温度变化而移动的特性，通过改变温度来达到滤光片中心波长与目标谱线匹配的目的。

方法1采用机械更换滤光片，这种方法只能解决不同轮次实验中性束能变化的问题，而不能解决一轮实验期间中性束能量变化的问题，否者就破坏了一轮实验的连续性。与此同时，窄带滤光片价格昂贵，制造多块滤光片会提高系统造价【文献1】。

其次，由于常规磁约束装置实验过程只持续2～10秒左右，温度控制滤光片中心波长的弛豫时间比较长，大约在分钟量级。因此这种方法仅能解决不同轮次实验中性束能变化的问题，不能解决一轮实验期间中性束能量变化问题，也就不能做到实时波长匹配【文献2】。

文献1[The MAST motional Stark effect diagnostic,Rev.Sci.Instrum.81,10D738(2010)]是英国著名卡拉姆聚变能研究中心MAST聚变装置上的动态斯塔克偏振仪。其滤光系统是采用更换滤光片的方法。MAST聚变装置只针对不同轮实验中性束能量变化，同时文章也指出，昂贵的滤光片限制了多通道系统的发展。

文献2[A motional Stark effect instrument to measure q(R)on the C-mod tokamak,Rev.Sci.Instrum.72,1012(2001)]是美国麻省理工学院C-MOD聚变装置上的动态斯塔克偏振仪。其滤光系统是采用温度控制滤光片中心波长的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种实时波长匹配单色仪与波长监控系统，可以解决目标谱线存在随机多普勒频移情况下，实现窄带滤光片中心波长与目标谱线波长的实时匹配，同时，实时监控系统可以监测匹配情况。

本发明的技术方案如下：一种实时波长匹配单色仪与波长监控系统，它包括入射端光纤，光平行透镜，窄带干涉滤光片，高速旋转台，非球面成像透镜，雪崩二极管探测器，信号采集与存储系统，中性束能量信号，隔离放大器，旋转台控制器，光谱仪，远程控制平台，其中，窄带干涉滤光片设在高速旋转台上，光平行透镜和非球面成像透镜分别设置在窄带干涉滤光片的两侧，光平行透镜的外侧设置有入射端光纤，非球面成像透镜的外侧设置有雪崩二极管探测器，入射端光纤与光谱仪连接，雪崩二极管探测器与信号采集与存储系统连接，旋转台与旋转台控制器连接，中性束能量信号通过一个隔离放大器连接到旋转台控制器，远程控制平台与光谱仪和旋转台控制器连接。

所述的窄带干涉滤光片安装在带有光栅尺定位的高速旋转台上。

所述的远程控制平台通过以太网与对光谱仪和旋转台控制器连接。

所述的窄带干涉滤光片，其半高宽仅为0.12～0.18nm。

所述的入射端光纤通过光纤与光谱仪连接。

本发明的有益效果在于：1、系统的可靠性好，稳定性高；2、不仅可以满足不同轮次实验中性束能量变化的波长匹配，而且在同一轮实验中可以使用中性束能量信号对滤光片中心波长进行实时匹配；3、本系统增加了波长监控系统，保证测量数据的准确性。

附图说明

图1为本发明所提供的一种实时波长匹配单色仪与波长监控系统示意图；

图2为单色仪实时控制系统流程图。

图中，1入射端光纤，2光平行透镜，3窄带干涉滤光片，4高速旋转台，5非球面成像透镜，6雪崩二极管探测器，7信号采集与存储系统，8中性束能量信号，9隔离放大器，10旋转台控制器，11光谱仪，12远程控制平台。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明要解决的技术问题为：由于中性束能量使得目标谱线波长发生多普勒频移。特别在一轮实验中，中性束能量发生随机变化引起目标谱线波长发生随机多普勒频移，这会导致滤光片中心波长与目标谱线波长不匹配。因此需要发展一套利用中性束能量信号来实时指导滤光片中心波长移动，保证滤光片中心波长与目标谱线波长实时匹配的单色仪系统，并同时有一套具有实时监控波长匹配的系统。

如图1所示，一种实时波长匹配单色仪与波长监控系统包括入射端光纤1，光平行透镜2，窄带干涉滤光片3，高速旋转台4，非球面成像透镜5，雪崩二极管探测器6，信号采集与存储系统7，中性束能量信号8，隔离放大器9，旋转台控制器10，光谱仪11，远程控制平台12。

其中，窄带干涉滤光片3安装在带有光栅尺定位的高速旋转台4上，光平行透镜2和非球面成像透镜5分别设置在窄带干涉滤光片3的两侧，光平行透镜2的外侧设置有入射端光纤1，非球面成像透镜5的外侧设置有雪崩二极管探测器6，入射端光纤1通过光纤与光谱仪11连接，雪崩二极管探测器6与信号采集与存储系统7连接，旋转台4与旋转台控制器10连接，中性束能量信号8通过一个隔离放大器9连接到旋转台控制器10，远程控制平台12通过以太网与对光谱仪11和旋转台控制器10连接。

其中，单色仪的滤光部分采用了窄带干涉滤光片3，其半高宽仅为0.12～0.18nm。通过改变窄带干涉滤光片与入射光的夹角来实现滤光片中心波长移动。该窄带干涉滤光片安装在一个一维旋转台4上，旋转台带动该滤光片旋转，从而实现改变滤光片与入射光的夹角。其中旋转台带有光栅尺部件，通过光栅尺可以精确获得滤光片与入射光的夹角，因此也可以获得此刻滤光片中心波长。

该系统是通过中性束能量信号直接控制旋转台控制器来指导滤光片中心波长根据特定关系实时移动。该特定关系是中性束能量信号与旋转角的关系，需要实验进行标定。中性束能量信号是从约为40千伏特的加速器高压平台引出，高压信号需要被转换为可采集的-5～5伏模拟信号，同时采用特定参数的隔离放大器进行隔离，以避免旋转台控制器由于信号在传输过程中没有公共的接地端而被影响，甚至毁坏。

中性束能量信号指导旋转台控制器控制器，是由远程系统实施远程控制。系统通过以太网，采用MATLAB语言编写连接，进行通讯。这样可以让人远离聚变辐射伤害。

该系统在入射端光纤牵引出一根光纤，并把这根光纤连接到一台光谱仪进行波长监控。在实验期间通过对比控制器设定波长与目标谱线位置信息，保证在每一次实验期间数据的准确性。

本发明的工作过程如下：

目标谱线从入射端光纤1输入，经过光平行透镜2形成一束平行光。平行光通过窄带干涉滤光片3进行滤光。窄带干涉滤光片3安装在带有光栅尺定位的高速旋转台4上。经窄带干涉滤光片3滤光后的目标谱线经非球面成像透镜5汇聚到雪崩二极管探测器6上进行光电转换，最后由信号采集与存储系统7保存数据。

中性束加速器高压信号采用压频-频压VF-FV转换技术，转换到可采集的-5～+5V信号，即中性束能量信号8。中性束能量信号8通过一个隔离放大器9连接到旋转台控制器10中。旋转台控制器10引导旋转台4带动滤光片3旋转。入射端光纤1牵引出一根光纤与光谱仪11连接，对目标谱线进行监控。远程控制平台12通过以太网，对光谱仪11和旋转台控制器10进行远程控制与数据检测。

实时波长匹配单色仪如图2所示单色仪实时控制系统流程图。本系统由一个TTL信号触发，此时中性束能量信号实时输入到旋转台控制器中。中性束能量信号与旋转角度有一个特定关系。通过这个特定关系式来指导旋转台转动滤光片，达到滤光片中心波长与目标谱线实时匹配。如果本轮实验结束，实时控制系统回到初始位置，等待下一轮TTL信号触发。