EAST偏振干涉儀研制.pdf

1、等離子體電子密度和電流密度是核聚變等離子體的主要參數(shù)。在托卡馬克運(yùn)行模式研究中發(fā)現(xiàn)，等離子體電流參與了等離子體的磁流體平衡的過程。當(dāng)采用離軸電流驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電流中空分布的情況下，可以建立等離子體內(nèi)部輸運(yùn)壘進(jìn)而可以顯著改善等離子體芯部區(qū)域約束情況。研究認(rèn)為這是由于電流密度剖面的改變進(jìn)而導(dǎo)致磁剪切的改變，并影響等離子體的輸運(yùn)，使其由反常輸運(yùn)降低到了新經(jīng)典輸運(yùn)的水平，從而促使了內(nèi)部輸運(yùn)壘的建立。由于等離子體電流密度分布與磁流體的穩(wěn)定性密切相關(guān)，因

2、此在托卡馬克或者未來聚變反應(yīng)堆中，電流分布的測(cè)量與反饋控制至關(guān)重要。經(jīng)過多年的發(fā)展，偏振干涉儀被認(rèn)為測(cè)量電子密度和電流分布最可靠的手段之一。
　　為了配合EAST全超導(dǎo)托卡馬克放電實(shí)驗(yàn)，開展不同放電位形、不同壁條件、不同加熱功率、長(zhǎng)脈沖運(yùn)行條件下電流密度的觀測(cè)和行為的研究，我們需要對(duì)電流密度診斷進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。本文的主要工作發(fā)展11道偏振干涉儀系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的空間分辨率及電流分布的高精度測(cè)量。主要工作為:完成系統(tǒng)的光學(xué)和機(jī)械設(shè)計(jì);分

3、析了各種系統(tǒng)誤差并對(duì)其進(jìn)行誤差標(biāo)定、提高系統(tǒng)測(cè)量精度，完善了系統(tǒng)的標(biāo)定方法和標(biāo)定精度;開展了駐波誤差的理論分析，并在實(shí)驗(yàn)中對(duì)其進(jìn)行了消除。利用偏振干涉儀準(zhǔn)確的進(jìn)行了電流分布、電子密度分布、電子密度擾動(dòng)等物理參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量和分析。
　　本文首先對(duì)干涉儀和偏振儀的測(cè)量原理進(jìn)行闡述，介紹了偏振干涉的幾種測(cè)量方法并進(jìn)行對(duì)比，并著重對(duì)POINT系統(tǒng)所采用的三波法技術(shù)進(jìn)行闡述。通過對(duì)高斯光束傳播原理和遠(yuǎn)紅外光學(xué)元件的分析，對(duì)11道偏振干涉儀進(jìn)

4、行了詳細(xì)優(yōu)化的光學(xué)設(shè)計(jì)，其中包括:光路設(shè)計(jì)、光路系統(tǒng)模擬、光學(xué)元件尺寸設(shè)計(jì)等;隨后對(duì)偏振干涉儀的光學(xué)平臺(tái)、光學(xué)塔架的機(jī)械穩(wěn)定性設(shè)計(jì)進(jìn)行描述，介紹系統(tǒng)的機(jī)械振動(dòng)測(cè)試，最終確定由光學(xué)平臺(tái)和光學(xué)塔架造成的振動(dòng)誤差小于系統(tǒng)的測(cè)量精度;為了提高偏振干涉儀法拉第旋轉(zhuǎn)角的測(cè)量精度，同時(shí)保證偏振干涉儀測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)性、可靠性，我們對(duì)偏振干涉儀的誤差進(jìn)行了詳細(xì)分析及計(jì)算，并給出相應(yīng)的處理方法;結(jié)合法拉第旋轉(zhuǎn)角的測(cè)量數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析了雜散光效應(yīng)對(duì)偏振測(cè)量的影響

5、，并設(shè)計(jì)了一種光學(xué)隔離器以減少雜散光的干擾，極大的提高了法拉第旋轉(zhuǎn)角的測(cè)量精度;通過對(duì)系統(tǒng)共線調(diào)節(jié)、偏振態(tài)調(diào)節(jié)，雜散光消除等關(guān)鍵技術(shù)問題的解決，EAST偏振干涉儀系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地給出電子密度分布和電流密度分布。最終系統(tǒng)的測(cè)量精度為:時(shí)間分辨率為1微秒;電子密度測(cè)量精度為1×1017m-3;法拉第旋轉(zhuǎn)角測(cè)量精度為0.1°。最后文中給出了EAST偏振干涉儀的Ⅰ實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，給出了高時(shí)間分辨率、高精度的電子密度和法拉第旋轉(zhuǎn)角測(cè)量數(shù)據(jù)，并利用實(shí)時(shí)