CN108269632B - 一种兆赫兹电荷交换谱诊断*** - Google Patents
一种兆赫兹电荷交换谱诊断*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于可见光谱分析技术领域,具体涉及一种兆赫兹电荷交换谱诊断***。本发明的兆赫兹电荷交换谱诊断***,包括光学成像***、传输光纤、大口径透射式体光栅光谱仪、传输光纤阵列、光电转换装置和数据采集与存储***;本发明解决了现有测量等离子体温度和旋转速度的***时间分辨过低,严重影响了科研人员对瞬态物理过程的理解的技术问题。本发明的***,可靠性好,光谱分辨能力高,时间分辨能力强。克服了传统电荷交换复合谱***测量离子温度和旋转速度时间分辨低的缺点,使离子温度和旋转速度时间分辨达到兆赫兹量级,实现该物理量测量质的飞跃。
Description
技术领域
本发明属于可见光谱分析技术领域,具体涉及一种兆赫兹电荷交换谱诊断***。
背景技术
在受控核聚变实验研究中,目前用于磁约束等离子体研究的主要是托卡马克(或仿星器)装置。基于中性束(NBI)对等离子体进行诊断的***之一是电荷交换复合谱***(CXRS)。该***可以用于测量等离子体温度和旋转速度,这些参数对于研究氘氚核聚变、等离子体物理研究都有极其重大的意义。当前,离子温度和旋转速度的主要测量设备是CXRS***,其主要部件由CCD相机和光谱仪组成。受限于光谱仪的口径和CCD相机的采集速度,离子温度和旋转速度测量的时间分辨约为0.1~1kHz之间,过低的时间分辨严重影响了科研人员对瞬态物理过程的理解。
发明内容
本发明需要解决的技术问题为:现有测量等离子体温度和旋转速度的***时间分辨过低,严重影响了科研人员对瞬态物理过程的理解。
本发明的技术方案如下所述:
一种兆赫兹电荷交换谱诊断***,包括:光学成像***、传输光纤、大口径透射式体光栅光谱仪、传输光纤阵列、光电转换装置和数据采集与存储***;
所述光学成像***用于采集等离子体的辐射光谱,并将其聚焦在传输光纤,所述传输光纤设置于光学成像***和大口径透射式体光栅光谱仪之间,用于将光学成像***采集的光谱信号传送至大口径透射式体光栅光谱仪;
所述大口径透射式体光栅光谱仪包括准直透镜组、透射式体光栅、聚焦透镜组和光谱仪机械腔体,其中,准直透镜组一端直接连接至传输光纤,另一端固定于光谱仪机械腔体之上;所述准直透镜组为准直作用,将来自传输光纤的光谱转换成平行光;透射式体光栅固定于光谱仪机械腔体内部,入射面朝向准直透镜组,将准直透镜组输出的平行光色散;所述聚焦透镜组的一端也固定连接于光谱仪机械腔体之上,且面对透射式体光栅,用于接收来自透射式体光栅色散后的光谱信号,并将该光谱信号聚焦在传输光纤阵列上;所述传输光纤阵列将光谱引导到光电转换装置;光电转换装置用于将传输光纤阵列输出的光信号转换为电信号;
所述数据采集与存储***与光电转换装置相连接,用于采集光电转换装置输出的电信号,并将该电信号存储,用于后续分析。
一种兆赫兹电荷交换谱诊断方法,包括以下步骤:
步骤1、光谱信号采集
使用光学成像***接收等离子体辐射出的光谱信号,并将所述光谱信号通过传输光纤传输;
步骤2、信号传输
传输光纤将光学成像***输出的光谱信号传输到透射式体光栅光谱仪中;
步骤3、分光处理
透射式体光栅光谱仪将接收到的光谱信号进行分光处理,获得所需的光谱信号后输出;
步骤4、光谱信号整合
传输光纤阵列接收透射式体光栅光谱仪输出的光谱信号,传输光纤阵列对光谱信号进行整合,并将整合后的光谱信号传输至光电转换装置;
步骤5、光电转换
光电转换装置将接收到的光谱信号进行光电转换,使之变为电信号;
步骤6、信号采集和存储
使用数据采集和存储***对光电转换装置输出的电信号进行数据采集和存储,用于后续分析。
本发明的有益效果为:
本发明的***,可靠性好,光谱分辨能力高,时间分辨能力强。克服了传统电荷交换复合谱***测量离子温度和旋转速度时间分辨低的缺点,使离子温度和旋转速度时间分辨达到兆赫兹量级,实现该物理量测量质的飞跃。
附图说明
图1为本发明的兆赫兹电荷交换谱诊断***组成示意图;
图2为本发明的兆赫兹电荷交换谱诊断方法流程图;
其中,1-等离子体,2-光学成像***,3-传输光纤,4-大口径透射式体光栅光谱仪,5-传输光纤阵列,6-光电转换装置,7-数据采集与存储***,8-准直透镜组,9-透射式体光栅,10-聚焦透镜组,11-光谱仪机械腔体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的兆赫兹电荷交换谱诊断***进行详细说明。
传统的电荷交换复合谱诊断采用以CCD相机为光电转换装置。CCD相机的相素面积非常小,因此可以获得高的谱分辨;如果对多个空间通道同步测量,CCD相机将无法实现兆赫兹量级的光电转换。要提高电荷交换复合谱***的采样率使其达到兆赫兹量级(极快电荷交换符合谱),就必须使用其他光电转换装置,如光电倍增管(PMT)或雪崩二极管(APD)阵列。在多通道光电转换过程中,PMT/APD阵列的采样频率和效率可以优于CCD相机,然而PMT/APD相机芯片尺寸要远大于CCD相机芯片尺寸。为此,需要一个二维的光纤阵列与光栅耦合,将来自光栅的光谱引导至光电转换装置。光纤阵列除了传输光谱以外,还起到控制***的光谱分辨的作用。为了保证光通量,需要使用较大尺寸的光纤,导致***的光谱分辨较差,因此还需要配合角色散率大的透射式体光栅使用。透射式体光栅与传统光谱仪反射式光栅相比,可以有更大的角色散率。透射式体光栅、短焦距的透镜组、大尺寸的传输光纤以及兆赫兹量级的光电转换装置,保证了***具有较大的光能量和很高的时间分辨。
具体如图1所示,包括:光学成像***2、传输光纤3、大口径透射式体光栅光谱仪4、传输光纤阵列5、光电转换装置6和数据采集与存储***7。
所述光学成像***2用于采集等离子体1的辐射光谱,并将其聚焦在传输光纤3,所述传输光纤3设置于光学成像***2和大口径透射式体光栅光谱仪4之间,用于将光学成像***2采集的光谱信号传送至大口径透射式体光栅光谱仪4。
所述大口径透射式体光栅光谱仪4包括准直透镜组8、透射式体光栅9、聚焦透镜组10和光谱仪机械腔体11,其中,准直透镜组8一端直接连接至传输光纤3,另一端固定于光谱仪机械腔体11之上;所述准直透镜组8为准直作用,将来自传输光纤3的光谱转换成平行光。透射式体光栅9固定于光谱仪机械腔体11内部,入射面朝向准直透镜组8,将准直透镜组8输出的平行光色散。所述聚焦透镜组10的一端也固定连接于光谱仪机械腔体11之上,且面对透射式体光栅9,用于接收来自透射式体光栅9色散后的光谱信号,并将该光谱信号聚焦在传输光纤阵列5上。所述传输光纤阵列5将光谱引导到光电转换装置6。光电转换装置6用于将传输光纤阵列5输出的光信号转换为电信号。
所述数据采集与存储***7与光电转换装置6相连接,用于采集光电转换装置6输出的电信号,并将该电信号存储,用于后续分析。
本发明还提供一种兆赫兹电荷交换谱诊断方法,具体流程如图2所示,包括以下步骤:
步骤1、光谱信号采集
使用光学成像***接收等离子体辐射出的光谱信号,并将所述光谱信号通过传输光纤传输;
步骤2、信号传输
传输光纤将光学成像***输出的光谱信号传输到透射式体光栅光谱仪中;
步骤3、分光处理
透射式体光栅光谱仪将接收到的光谱信号进行分光处理,获得所需的光谱信号后输出;
步骤4、光谱信号整合
传输光纤阵列接收透射式体光栅光谱仪输出的光谱信号,传输光纤阵列对光谱信号进行整合,并将整合后的光谱信号传输至光电转换装置;
步骤5、光电转换
光电转换装置将接收到的光谱信号进行光电转换,使之变为电信号;
步骤6、信号采集和存储
使用数据采集和存储***对光电转换装置输出的电信号进行数据采集和存储,用于后续分析。
Claims (2)
1.一种兆赫兹电荷交换谱诊断***,包括:光学成像***(2)、传输光纤(3)、大口径透射式体光栅光谱仪(4)、传输光纤阵列(5)、光电转换装置(6)和数据采集与存储***(7);其特征在于:
所述光学成像***(2)用于采集等离子体(1)的辐射光谱,并将其聚焦在传输光纤(3),所述传输光纤(3)设置于光学成像***(2)和大口径透射式体光栅光谱仪(4)之间,用于将光学成像***(2)采集的光谱信号传送至大口径透射式体光栅光谱仪(4);
所述大口径透射式体光栅光谱仪(4)包括准直透镜组(8)、透射式体光栅(9)、聚焦透镜组(10)和光谱仪机械腔体(11),其中,准直透镜组(8)一端直接连接至传输光纤(3),另一端固定于光谱仪机械腔体(11)之上;所述准直透镜组(8)为准直作用,将来自传输光纤(3)的光谱转换成平行光;透射式体光栅(9)固定于光谱仪机械腔体(11)内部,入射面朝向准直透镜组(8),将准直透镜组(8)输出的平行光色散;所述聚焦透镜组(10)的一端也固定连接于光谱仪机械腔体(11)之上,且面对透射式体光栅(9),用于接收来自透射式体光栅(9)色散后的光谱信号,并将该光谱信号聚焦在传输光纤阵列(5)上;所述传输光纤阵列(5)将光谱引导到光电转换装置(6);光电转换装置(6)用于将传输光纤阵列(5)输出的光信号转换为电信号;
所述数据采集与存储***(7)与光电转换装置(6)相连接,用于采集光电转换装置(6)输出的电信号,并将该电信号存储,用于后续分析。
2.一种兆赫兹电荷交换谱诊断方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、光谱信号采集
使用光学成像***接收等离子体辐射出的光谱信号,并将所述光谱信号通过传输光纤传输;
步骤2、信号传输
传输光纤将光学成像***输出的光谱信号传输到透射式体光栅光谱仪中;
步骤3、分光处理
透射式体光栅光谱仪将接收到的光谱信号进行分光处理,获得所需的光谱信号后输出;
步骤4、光谱信号整合
传输光纤阵列接收透射式体光栅光谱仪输出的光谱信号,传输光纤阵列对光谱信号进行整合,并将整合后的光谱信号传输至光电转换装置;
步骤5、光电转换
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步骤6、信号采集和存储
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