一种用于等离子体密度诊断的真空紫外单色仪的制作方法

本发明涉及磁约束聚变实验装置等离子体密度诊断仪器，具体涉及一种用于等离子体密度诊断的真空紫外单色仪。

背景技术：

1、核聚变能是极具发展前景的清洁能源之一。为实现经济高效的聚变能利用，必须有效约束住高温高密度等离子体。在磁约束核聚变装置等离子体中，实验观测的粒子、动量和能量输运在横越磁场方向比理论预测的新经典输运高1～2个数量级，这个现象被称为反常输运(或称湍性输运)。反常输运会显著降低等离子体的约束性能，限制等离子体温度和密度的提升。目前研究表明，反常输运是由微观不稳定性发展形成的饱和状态，也即微观湍流驱动的。此外，微观湍流与l-h转换、elmy、内部输运垒、边界输运垒和自发旋转等关键的磁约束聚变研究紧密相关，这些研究直接关系到人们对未来聚变堆参数的设计，如运行模式的优化、对面向等离子体材料的需求等。因此，微观湍流及其导致的湍性输运一直是磁约束聚变研究的核心问题之一。

2、等离子体密度涨落是磁约束聚变实验装置中研究湍流的重要物理量。目前，束发射谱诊断是等离子体密度涨落的最先进的测量手段之一。束发射谱诊断的基本原理是通过观测注入磁约束聚变实验装置等离子体中的中性束与等离子体中的电子和离子碰撞激发后，退激发时发射出的荧光强度，得到局域等离子体密度涨落信息。常规束发射谱诊断观测的退激发谱线是可见光波段的巴尔末-阿尔法谱线(n＝3→2,656.10nm)。对于观测者而言，由于中性束的速度较快，中性束原子受激产生的巴尔末-阿尔法荧光信号有一个约几纳米的多普勒频移，从而能够将中性束发光与背景等离子体光区分开来，进而实时的诊断局域等离子体密度涨落信息，提供湍流的演化过程。

3、然而由于物理测量原理的限制，常规束发射谱诊断的空间分辨率最高只能达到1～3cm，无法进一步提高。并且受限于激发态数密度和跃迁率，常规束发射谱诊断的光通量和信噪比(snr)较低。因而，常规束发射谱诊断无法对湍性输运被抑制的高约束模式下出现的空间尺度较窄的边界输运垒、内部输运垒和elmy等物理研究提供有效测量。除了巴尔末-阿尔法谱线，等离子体与中性束相互作用，退激发时还会发射莱曼-阿尔法谱线(n＝2→1,121.53nm)。相较于发射巴尔末-阿尔法谱线的等离子体第二激发态(n＝3)，等离子体第一激发态(n＝2)具有更高的跃迁率、数密度和更短的寿命，并且其发射的莱曼-阿尔法谱线具有更高的探测响应度。因而，基于莱曼-阿尔法谱线的莱曼束发射谱诊断可以获得更高的光通量和信噪比，同时实现更高的亚厘米尺度(～3mm)的空间分辨率的突破，从而可以为常规束发射谱诊断无法解决的湍流相关研究提供必要的测量手段。

4、但是由于莱曼-阿尔法谱线处于真空紫外波段，真空紫外光一方面无法在空气中传输，另一方面此波段光线的传输、分光和探测非常困难，因而常规束发射谱诊断的相应技术对于莱曼束发射谱诊断均无法使用。特别的，滤光组件是束发射谱诊断的核心部件。常规束发射谱诊断通常使用窄带滤光片来滤去背景等离子体光，以仅保留并测量多普勒频移后的巴尔末-阿尔法谱线，其带宽一般为2～3nm。但是对于莱曼-阿尔法谱线，其所需的滤光带宽极窄，仅有0.3-0.5nm，目前在真空紫外波段并无能满足此滤光要求的滤光片，因而依靠现有的束发射谱诊断技术，无法实现莱曼束发射谱诊断的有效滤光。

5、因此，需要设计一种用于等离子体密度诊断的真空紫外单色仪，用于解决上述现有技术问题。

技术实现思路

1、本发明提出的一种用于等离子体密度诊断的真空紫外单色仪，用于解决现有莱曼束发射谱诊断系统无法实现有效滤光的技术问题。

2、本发明的技术方案：

3、一种用于等离子体密度诊断的真空紫外单色仪，包括：真空腔、入口狭缝、入口狭缝固定机构、准直镜、准直镜调节机构、光栅、光栅调节机构、聚焦镜、聚焦镜调节机构、探测模块和若干个固定螺栓；所述真空腔为中空结构，入口狭缝设置在入口狭缝固定机构上，准直镜设置在准直镜调节机构上，所述光栅设置在光栅调节机构上，所述聚焦镜设置在聚焦镜调节机构上；所述入口狭缝固定机构、准直镜调节机构、光栅调节机构和聚焦镜调节机构通过若干个固定螺栓分别安装在真空腔内部，所述探测模块位于真空腔的真空环境中。

4、真空腔的外壁面上分别开设有入口法兰a、出口法兰b和真空法兰c；所述出口法兰b上设置有盲板法兰d。

5、所述探测模块设置在出口法兰b内部。

6、所述真空腔通过入口法兰a与磁约束聚变实验装置真空室内收光镜组连接；真空腔设置真空法兰c的壁面通过真空法兰c与抽真空装置连接。

7、所述入口狭缝设置在真空腔内的位置与磁约束聚变实验装置真空室内收光镜组的成像面位置相重合。

8、所述准直镜为反射镜，准直镜设置在真空腔内的位置可将入口狭缝处的光转换为平行光入射到光栅上；

9、所述准直镜为离轴抛物面反射镜。

10、所述准直镜表面镀铝膜，铝膜表面镀有氟化镁。

11、所述光栅在真空腔内部的位置须能以特定角度接收到准直镜反射至光栅上不同波长平行光；

12、光栅的入射角和衍射角分别为入射光线和衍射光线与光栅法线的夹角。

13、所述聚焦镜为反射镜，聚焦镜设置在真空腔内的位置可将光栅衍射的目标谱线聚焦成像至探测模块上，即聚焦镜的焦平面与探测模块的探测面重合

14、所述探测模块包括：探测器、滤光板和固定架，所述探测器前端设置有滤光板，固定架上设置有放置探测器的凹槽，探测器放置在固定架凹槽内，所述滤光板通过固定螺栓与固定架螺纹连接固定；滤光板用于屏蔽干扰谱线，使探测器仅接收到目标谱线；

15、所述滤光板中心位置设有一个通孔，所述通孔形状根据等离子体密度诊断需求和单色仪参数设计，所述通孔仅使目标谱线通过，干扰谱线被滤光板遮挡屏蔽。

16、所述探测器的探测面与聚焦镜焦平面位置重合。

17、本发明的有益效果：

18、本发明设计的一种用于等离子体密度诊断的真空紫外单色仪，可用于莱曼束发射谱诊断系统高光通量高线色散分光，与探测模块耦合后，可有效实现莱曼束发射谱诊断系统的高效滤光。可提高常规束发射谱诊断系统空间分辨率、光通量和信噪比，并且同时具有结构紧凑、工艺先进、高效率、高精度和适用性强等优点。

19、此外，本发明还具有以下技术效果：

20、1、本发明通过使用真空紫外单色仪实现束发射谱诊断对局域等离子体密度涨落的测量，可实现常规束发射谱诊断厘米量级空间分辨率的突破，使束发射谱诊断的空间分辨率达到亚厘米量级(～3mm)；并且在保持微秒量级时间分辨率的同时，可以获得更高的光通量以及信噪比。从而实现等离子体密度涨落的精准测量；

21、2、由于多普勒频移后的莱曼-阿尔法谱线波段极窄，多普勒频移和谱线宽度均仅有亚纳米量级，并且光强较低，因此本发明同时具有高线色散、高光谱分辨、高效率、高成像质量与弱信号探测特点。

22、3、本发明结构紧凑，在保证系统参数的基础上选用较短的入射臂和较小的光栅入射角，用以缩小光栅的尺寸和单色仪的整体尺寸，从而在维持光栅面形质量等参数的基础上降低成本，同时可以压缩莱曼束发射谱诊断系统所需的空间。

23、4、本发明具有光路简单、工艺先进、高精度、高光通量、高真空度和适用性强，可实现单波长精准分光和测量的优点。

24、5.本发明通过对反射镜和光栅等光学部件进行优化设计，实现多普勒频移后的莱曼-阿尔法谱线的高效率探测。

25、6、本发明通过使用滤光板，在保持高光通量、大收光角和大视场观测的前提下，屏蔽了大视场和大收光角等因素导致的背景谱线对部分探测通道的严重信号干扰，实现多普勒频移后的莱曼-阿尔法单波长谱线的准确测量。

26、7、本发明通过对多普勒频移后的莱曼-阿尔法谱线高光通量高效率传输和分光，实现对磁约束核聚变实验装置等离子体密度及其涨落的高信噪比高时空分辨测量，进而满足湍流相关物理研究需要。本发明，除了能用于磁约束核聚变实验装置等离子体光谱诊断外，还可以用于天体物理分析、光学检测、空间环境探测、真空紫外激光等领域。