一种快速离子温度和旋转速度的测量方法与流程

1.本发明属于测量，具体涉及一种快速离子温度和旋转速度的测量方法。


背景技术：

2.在磁约束聚变装置中，等离子体的离子温度和旋转速度是该领域物理研究非常重要的两个参数。目前国际上普遍采用电荷交换复合光谱诊断系统测量从等离子体中发射的特征线光谱，利用该特征线光谱的多普勒展宽和多普勒频移计算离子温度和旋转速度。该方法关键在于需要准确测量该特征线光谱的形状和位置。
3.传统的电荷交换复合光谱诊断系统是采用光电耦合器件(ccd)作为探测器，该方法优点在于像素尺寸小(～16微米)，因此可以非常精确的记录特征线光谱的形状和位置。但其缺点在于庞大的二维阵列面探测使得硬件的采样频率不高(～100hz)，导致系统时间分辨低，仅为数十毫秒量级。低的系统时间分辨严重限制了等离子体中快速物理过程的研究。
4.为了克服低的系统时间分辨，国际上还发展了一种“超快”的电荷交换复合光谱诊断系统，它是采用光电倍增管(pmt)作为探测器。其优点在于硬件采样频率可高达兆赫兹(～mhz)，但是该探测器像素尺寸非常大，谱线分辨能力差，信噪比低，数据分析难度极大，可靠性不高，同时测量的数据通道数量少。


技术实现要素：

5.本发明的内容是针对现有技术的缺陷，提供一种快速离子温度和旋转速度的测量方法。
6.本发明是这样实现的：一种快速离子温度和旋转速度的测量方法，包括下述步骤：
7.步骤一：接收光谱
8.接收等离子体放电光谱；
9.步骤二：衍射分光
10.对接收到的光信号进行衍射分光；
11.步骤三：光电耦合
12.光电耦合分为不曝光区域光电耦合和曝光区域光电耦合。
13.如上所述的一种快速离子温度和旋转速度的测量方法，其中，所述的步骤一中通过传输光纤接收等离子体放电光谱。
14.如上所述的一种快速离子温度和旋转速度的测量方法，其中，所述的步骤二中的衍射分光，通过光学系统实现。
15.如上所述的一种快速离子温度和旋转速度的测量方法，其中，所述的步骤二中除了衍射分光外，还进行滤光。
16.如上所述的一种快速离子温度和旋转速度的测量方法，其中，所述的步骤二的滤光是指滤除目标谱线以外波段的光谱信号。
17.如上所述的一种快速离子温度和旋转速度的测量方法，其中，所述的步骤三中目标谱线只成像到光电耦合器件ccd像面的曝光区域，减小曝光面积，增大硬件采集频率。
18.如上所述的一种快速离子温度和旋转速度的测量方法，其中，所述的步骤三还进行光谱采样，并计算等离子温度和旋转速度。
19.本发明的显著效果是：(1)只测量可用于计算离子温度和旋转速度的光谱信号，滤除其他多余的光谱。(2)相比于传统的测量方法，本方法的时间分辨率高；(3)相比于“超快”的测量方法，本方法的光谱分辨率高，通道数多，测量的光信号不需要进行标定，数据易于分析。
附图说明
20.图1应用于磁约束聚变装置的快速离子温度和旋转速度的测量方法示意图。
具体实施方式
21.本发明的目的是为磁约束聚变装置中等离子体的离子温度和旋转速度测量提供更加快速、可靠、多通道数测量方法。该技术通过优化光纤设计、采用滤光片技术，提高了系统的时间分辨率，实现了高信噪比的多通道快速测量。
22.如图1所示，快速等离子体离子温度和旋转速度的测量方法的示意图。本方法是这样实现的：磁约束聚变装置(1)中等离子体放电发出光谱，光信号经过传输光纤进入到电荷交换复合光谱诊断系统的入射光纤束(2)，入射光纤束(2)将光信号传输到光学系统(3)中进行衍射分光，同时光学系统(3)中的滤光片会滤除目标谱线以外波段的光谱信号，避免不同通道之间的光谱信号相互干扰。从光学系统(3)中分离出来的目标谱线成像到光电耦合器件ccd像面(4)。光电耦合器件ccd像面(4)分两部分，不曝光区域(5)和曝光区域(6)。目标谱线只成像到光电耦合器件ccd像面(4)的曝光区域(6)，减小曝光面积，可以增大硬件采集频率。曝光区域(6)的信号记录为采集光谱(7)。将数据读出后，可以计算得获得离子温度和旋转速度。
23.如图1所示，入射光纤束(2)各通道经过光学系统(3)后只对应到光电耦合器件ccd(4)的曝光区域(6)，减少了光电耦合器件ccd(4)的使用面积，提高了硬件的采集频率，光学系统(3)中的滤光片隔离相邻通道，避免通道间的信号干扰，实现多通道测量。
24.本专利提出的方法，与传统方法相比，大大提高了硬件的采样频率，可高达10khz量级；与“超快”的电荷交换复合光谱诊断系统相比，虽然硬件采样频率有所下降，但获得更高的谱分辨能力，并且可以实现多通道测量。满足了等离子体中绝大多数的快速物理过程的研究需求。本专利核心有两点，1)通过优化设计光纤与成像面之间的对应关系，使光纤只成像在光电耦合器件ccd像面的一个区域范围内，大大减小光电耦合器件(ccd)的曝光及数据转移面积，从而提高系统的时间分辨率；2)利用滤光片技术隔离相邻通道，滤除多余的光谱信号，避免相邻通道之间光谱的干扰，实现多通道快速测量。


技术特征：
1.一种快速离子温度和旋转速度的测量方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤一：接收光谱接收等离子体放电光谱；步骤二：衍射分光对接收到的光信号进行衍射分光；步骤三：光电耦合光电耦合分为不曝光区域光电耦合和曝光区域光电耦合。2.如权利要求1所述的一种快速离子温度和旋转速度的测量方法，其特征在于：所述的步骤一中通过传输光纤接收等离子体放电光谱。3.如权利要求2所述的一种快速离子温度和旋转速度的测量方法，其特征在于：所述的步骤二中的衍射分光，通过光学系统实现。4.如权利要求3所述的一种快速离子温度和旋转速度的测量方法，其特征在于：所述的步骤二中除了衍射分光外，还进行滤光。5.如权利要求4所述的一种快速离子温度和旋转速度的测量方法，其特征在于：所述的步骤二的滤光是指滤除目标谱线以外波段的光谱信号。6.如权利要求5所述的一种快速离子温度和旋转速度的测量方法，其特征在于：所述的步骤三中目标谱线只成像到光电耦合器件ccd像面(4)的曝光区域(6)，减小曝光面积，增大硬件采集频率。7.如权利要求6所述的一种快速离子温度和旋转速度的测量方法，其特征在于：所述的步骤三还进行光谱采样，并计算等离子温度和旋转速度。

技术总结
本发明属于测量，具体涉及一种快速离子温度和旋转速度的测量方法。一种快速离子温度和旋转速度的测量方法，包括下述步骤：步骤一：接收光谱；接收等离子体放电光谱；步骤二：衍射分光；对接收到的光信号进行衍射分光；步骤三：光电耦合；光电耦合分为不曝光区域光电耦合和曝光区域光电耦合。本发明的显著效果是：(1)只测量可用于计算离子温度和旋转速度的光谱信号，滤除其他多余的光谱。(2)相比于传统的测量方法，本方法的时间分辨率高；(3)相比于“超快”的测量方法，本方法的光谱分辨率高，通道数多，测量的光信号不需要进行标定，数据易于分析。数据易于分析。数据易于分析。


技术研发人员：何小雪 余德良 陈文锦 刘亮 魏彦玲 何小斐
受保护的技术使用者：核工业西南物理研究院
技术研发日：2020.07.08
技术公布日：2022/1/10