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ASIPP. EAST 多道远红外 DCN 激光 干涉仪研制进展. 高翔，揭银先，刘海庆，程永飞， 童兴德， M.ASIF， 高丽 2004 年8月27日. 汇报提纲. EAST 托卡马克 DCN 激光干涉仪研制的意义 DCN 激光干涉仪研制进展 困难和解决的办法 小结. 为什么在 EAST 上要研制 DCN 激光干涉仪？. 1、 HCN 远红外激光波长为 337 m ， EAST 的等离子体中心到窗口的距离大于 4 米，因而利用 EAST 同一个垂直窗口最多只能做到四道远红外 HCN 激光干涉仪。
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ASIPP EAST多道远红外DCN激光 干涉仪研制进展 高翔，揭银先，刘海庆，程永飞， 童兴德，M.ASIF，高丽 2004年8月27日
汇报提纲 • EAST托卡马克DCN激光干涉仪研制的意义 • DCN激光干涉仪研制进展 • 困难和解决的办法 • 小结
为什么在EAST上要研制DCN激光干涉仪？ 1、HCN远红外激光波长为337m，EAST的等离子体中心到窗口的距离大于4米，因而利用EAST同一个垂直窗口最多只能做到四道远红外HCN激光干涉仪。 如果把HCN远红外激光器换为DCN远红外激光器，其波长为195m，可以做到六道DCN远红外激光干涉仪。所以，研制DCN激光器可以得到更高精度的等离子体截面上的电子密度的空间分布。
2、在沿波的传播方向上，等离子体有横向密度梯度时，探测束将产生由于折射率变化引起的折射现象，使光束偏离直线传播，这对于干涉测量有重要的影响，特别是在多道干涉仪中，严重的折射现象将会使不同的干涉道之间产生串扰。若密度分布是抛物线分布，ne0为中心的电子密度。干涉仪窗口到等离子体截面中心距离为Z0，则由于折射效应造成的出射束在窗口处的最大位置偏差为：2、在沿波的传播方向上，等离子体有横向密度梯度时，探测束将产生由于折射率变化引起的折射现象，使光束偏离直线传播，这对于干涉测量有重要的影响，特别是在多道干涉仪中，严重的折射现象将会使不同的干涉道之间产生串扰。若密度分布是抛物线分布，ne0为中心的电子密度。干涉仪窗口到等离子体截面中心距离为Z0，则由于折射效应造成的出射束在窗口处的最大位置偏差为： Δ ≈ 8.97×10-16λ2ne0Z0 对于EAST超导托卡马克，放电运行有更高的等离子体电子密度，要求探测束波长更小。保证正确可靠的等离子体密度测量，也需要产生激光波长更小的DCN激光器。
3、DCN激光器比HCN激光器的输出功率大。同样尺寸的3、DCN激光器比HCN激光器的输出功率大。同样尺寸的 DCN激光器输出功率比HCN激光器大一倍左右。
4、DCN激光器和HCN激光器在结构和原理上相似。从我所和国内的研究情况看，在采用电激励远红外激光器测量托卡马克等离子体电子密度方面，技术较成熟。我们曾先后在HT-6B、HT-6M和HT-7上成功地研制过单道和多道HCN激光干涉仪，实现长期可靠的稳定运行，积累了多方面的成功经验，有很好的技术基础。4、DCN激光器和HCN激光器在结构和原理上相似。从我所和国内的研究情况看，在采用电激励远红外激光器测量托卡马克等离子体电子密度方面，技术较成熟。我们曾先后在HT-6B、HT-6M和HT-7上成功地研制过单道和多道HCN激光干涉仪，实现长期可靠的稳定运行，积累了多方面的成功经验，有很好的技术基础。 我们此次要研制开发的大功率连续波DCN激光器成功后将极大的缩小与国外在远红外激光诊断方面的差距；也是为将建成的EAST超导托卡马克提供可靠的等离子体电子密度测量奠定基础。
EAST托卡马克DCN激光干涉仪研制的意义 • DCN激光干涉仪研制进展 • 困难和解决的办法 • 小结
DCN激光器研制进展 2003年春天以来，已成功地研制出两台DCN激光器，一台用于台面实验，一台用于EAST干涉仪。
DCN激光器结构示意图 这是一台直流电激励连续辉光放电的波导型远红外DCN激光器。①放电管：材料为17#玻璃，内径48mm，外径54 mm，长3.4 m，放电长度为3 m。放电管外面装有油套冷却系统，油温由超级恒温器控制。②电极：辉光放电的两个电极用黄铜或其他材料做成，内衬有低溅射率的稀有金属或其化合物。③谐振腔：DCN激光器的谐振腔为波导型谐振腔，拟采用平面腔形式。腔的一端是平面反射镜，用千分尺调节反射镜的水平位移，用螺钉调节其角度，以得到所需的激光模式和稳定、理想的激光输出功率。腔的另一端用金属镍网作耦合输出。在金属网前5mm处平行地安装五根直径50 μm的钨丝，这样就可以得到线偏振的激光输出，偏振方向垂直于钨丝。输出窗口用X切石英片密封。用四根直径25mm的因瓦合金将激光管紧紧地连成一体，这样激光器具有一定的稳定性和机械稳定性。
激光器的改进： • 用四根直径25mm的因瓦（Invar）合金 代替石英玻璃管固定激光器，使之具有更高的热稳定性和机械稳定性。 • 在腔的两端使用侧密封的机械结构，这样就不必要在每次开腔后都要对光。 Crystal plate mirror mesh Laser tube Laser tube Laser tube
工作气体和清洗气体多路流量计 真空系统：一台旋片式真空泵通过一个玻璃缓冲瓶与放电管相接，其极限真空度可达5Pa。工作气体或清洗气体由多路流量计控制进入放电管（可用计算机实施远程控制）。
DCN研制进展 激光器的运行温度由放电管外面油套冷却系统控制，油套内灌201#甲基硅油，油温由超级恒温器控制（最高温度200oC）。 电源：一台20KVA高压开关恒流源，输出电流在0.5~2.0A范围内连续可调，输出电压在2.5KV~7KV内变化。
DCN激光器的气体配比实验 对影响出光功率和放电稳定性的气体配比、油温、放电电流和气体压力进行大量的台面实验： 激光功率随油温的变化 激光功率随放电电流的变化
H.Q.Liu et al., Inter’l J IR & MMW 2004 以氦气、氮气和氘化甲烷为工作气体，在下列参数下获得最大DCN激光输出功率大于200mW（接近国外文献给出的值）。 • 气体比例： N2:CD4:He =8：10：75 • 油温: 180oC • 放电电流: 1.2A • 气压: 70Pa
但是使用N2:CD4:He混合气体DCN 激光器壁上会有附着物沉积，激光器的输出功率将会严重下降，典型值为100小时放电，功率下降90%。这在连续运行的EAST上是不能忍受的。 棕色附着物
Y.X.Jie et al., Inter’l J IR & MMW 2004 根据我们运行HCN激光器的经验，用氘气（D2） 代替 He ，利用D2的清洗作用阻止附着物的产生。实验证明这是成功的。即使在较低的温度下，运行60多小时也未发现附着物的生成。在下列优化参数下，获得大于160mW的DCN激光功率： Mixture gas： N2:CD4:D2 =4:5:20Oil temperature:145oCCurrent:0.8APressure:60Pa
DCN激光器的输出特性研究 L.Gao et al., Inter’l J IR & MMW 2004 输出光束在近场的特性 输出模式的观测：λ1为195μm，λ2为190μm 输出光束在远场的特性
DCN干涉仪 EAST 窗口布局图 DCN干涉仪窗口（东南方）
DCN干涉仪研制进展 Side-view of DCN Interferometer on EAST
DCN干涉仪研制进展 Optic arrangement of DCN interferometer on EAST
EAST托卡马克DCN激光干涉仪研制的意义 • DCN激光干涉仪研制进展 • 困难和解决的办法 • 小结
困难和解决的办法 潮湿空气(水蒸气）对DCN激光功率的吸收 P(z)=P0exp(-αz) P0为激光器出光窗口处的输出功率 P(z)为距激光器出光窗口距离为z处的激光功率 α为潮湿空气对激光的吸收率 α195=0.125(温度为15℃ ，绝对湿度为1gm-3，相对湿度8%) 这是文献提供的数据。
我们实验中测量的数据： P0=108mW 室温22oC 相对湿度50% （合肥地区正常湿度） Z: 6m 12.5m P(z): 45mW 10mW α: 0.21 0.23 对于EAST干涉仪，其光程大于20米，激光功率会衰减到不足1%。所以整个光路需要密封，给设计和调节光路带来困难。除了采取密封措施外，目前正在联系采购国外更高灵敏度的探测器（如InTe探头）。
氘化甲烷（CD4）气体须从国外购买，价格较贵。氘化甲烷（CD4）气体须从国外购买，价格较贵。 为节约用气，拟采用计算机远程控制流量计关断的方法。在装置放电间歇期，关断氘化甲烷的流量，以达到节约用气的目的。
为解决传统的钽阴极容易打火和寿命不长的问题，拟采用六硼化镧（LaB6）阴极结构：为解决传统的钽阴极容易打火和寿命不长的问题，拟采用六硼化镧（LaB6）阴极结构： • LaB6是很好的热电子发射材料，可以在可拆卸的真空系统中使用，耐离子轰击、蒸发率低、抗溅射，寿命更长,基本性能： • 熔点 ~2500℃ • 电子逸出功 2.66~2.68ev • 平均发射电流密度 ~8A/cm2 • 使用温度 ~1300℃ • 抗中毒性 可反复暴露大气
M.Asif et al., Inter’l J. IR & MMW 2004 LaB6阴极 钽阴极 已取得初步实验结果，尚需改进结构。
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小结 1、EAST远红外DCN激光干涉仪目前已经完成： DCN激光器的研制和相关台面实验； 干涉仪基本的光路安排； 光栅的加工； 相位差计。 2、需要完成的工作：光栅的台面实验、波导的台面实验等； LaB6阴极的改进实验；干涉仪的机械设计和光学元件的加工；探头的订购。 3、计划： 2004年10月初，完成单道DCN干涉仪台面实验； 2004年12月底，完成EAST六道远红外DCN激光干涉仪的所有光学和机械设计； 2005年6月完成光学和机械加工； 2005年12月安装调试完毕，用于EAST密度测量。
