内壁反射式远红外激光干涉仪的设计和应用

引言

在高温磁约束等离子体诊断研究中,等离子体电子密度是最基本也是最为重要的等离子体参量.世界上大中型的磁约束装置都采用了不同波长的远红外激光干涉仪来进行电子密度的探测.如JET采用DCN激光干涉仪, RTP采用CH3OH激光干涉仪[1],TEXTOR采用HCN激光干涉仪相继获得了电子密度值和分布曲线,并对诸多物理实验中的密度行为进行了深入的研究,取得了令人鼓舞的结果.HL22A是中国第一个封闭式偏滤器位形的托卡马克装置[2].偏滤器概念在聚变装置中的引入,增加了真空室中粒子流和能量流的主动控制的可能性,使杂质源与主等离子体分隔开,从而提高了聚变效率.通常托卡马克等离子体电子密度测量采用的是垂直弦的光路布局[3],干涉仪的所有光学元件都可以布置在真空室的外面.HL22A装置偏滤器隔板挡住了光线的上下通道,干涉测量只能采取横向弦的光路布置,这意味着必须将一部分光学元件放置于等离子体放电的真空室中.本文将介绍横向内壁反射式迈克尔逊型远红外激光干涉仪的研制及其在HL22A装置实验中的应用.

1　测量原理

在一个均匀的磁等离子体中,当离子的运动和电子的热速度可以忽略的情况下,等离子体的折射率N可以满足Appleton2Hartree方程[4],并且当探测波的频率ω大于等离子体频率ωp=(nee2/ε0me)1/2和电子的回旋频率ωce=eB /me时,折射率N可以近似地表达为

式中X=ω2p/ω2,Y=ωce/ω,ωp=(nee2/ε0me)1/2为等离子体频率,ωce=eB /me为电子的回旋频率,ω为入射波的频率,B为等离子体中的磁场,θ为入射波波矢k与B的夹角, ne为电子密度,ε0为真空中的介电常数,me为电子的质量.±号代表着探测束的电场矢量平行或垂直于磁场方向.

当探测束垂直于磁场方向入射(θ=π2)且电矢量平行于磁场方向时,式(1)可以简化为

如果探测束通过的是厚度为Z2-Z1的等离子体,那么没有经过等离子体的参考路光束与探测束将产生一相位差

这里N0是真空中的折射率N0=1,Z2-Z1是通过等离子体介质的路程,N=[1-(ne/nc)]1/2≈1-12(ne/nc)≈1-(ω2p/2ω2)是等离子体的折射率.将这些参数代入式(3)则得

通过测量干涉仪的相位变化就可以获得等离子体电子密度的测量值.

2　内壁反射式干涉仪的设计

HL22A装置由于偏滤器线圈的限制,几乎没有可用的上下诊断窗口,等离子体参数的测量大多使用水平窗口.HL22A的真空室的内壁没有窗口,探测束只能通过内挂式反射镜返回到干涉仪.因此干涉仪的选型结构采用迈克尔逊型.