[發明專利]一種基于光學方法的等離子體局部電流測量裝置及方法

在審

• 申請號: 202211527312.9
• 申請日: 2022-11-30
• 公開（公告）號: CN115993476A
• 公開（公告）日: 2023-04-21
• 發明（設計）人: 吳堅;王威;姜志遠;王振宇;陳紫維;盧元博;趙一鳴;石桓通;李興文
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01R19/00
• 分類號: G01R19/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 李鵬威

本發明公開了一種基于光學方法的等離子體局部電流測量裝置及方法，屬于光學測量技術領域。所述裝置包括：高能脈沖激光器、分束鏡、用于觸發ICCD相機的光電二極管、為光電二極管提供光信號的光束采樣鏡、用于聚焦高能脈沖激光的聚焦透鏡、用于產生Z箍縮等離子體的脈沖功率裝置、束流收集器、用于收集散射光的消色差透鏡、反射式光柵光譜儀、ICCD相機、馬赫?曾德爾干涉儀；通過等離子體干涉條紋圖像和湯姆遜散射光譜可同時獲取電子體密度分布、電子溫度、離子溫度、等離子體速度、電子離子相對漂移速度；將測量點的電子密度、電子電荷及電子離子相對漂移速度相乘即可得到測量點的局部電流。

技術領域

本發明屬于光學測量技術領域，涉及一種基于光學方法的等離子體局部電流測量裝置及方法。

背景技術

Z箍縮是當前實驗室產生強脈沖軟X射線的最有效手段，在輻射環境模擬、材料科學研究、慣性約束核聚變等領域發揮著重要作用。金屬絲陣Z箍縮是Z箍縮負載的主要構型，其動力學過程中存在電流轉移的現象，精確診斷Z箍縮等離子體內部電流分布以及轉移過程，對研究Z箍縮等離子體動力學行為的機理具有重要的幫助。

然而由于Z箍縮等離子體溫度高(～1×10⁵K)、持續時間短(～100ns)、變化速度快，且處于大電壓(～50kV)大電流(～1MA)的極端環境中，這使得局部電流的測量存在極大的困難與挑戰。羅氏線圈是Z箍縮等離子體脈沖電流測量的主要手段，即在脈沖功率裝置負載區正極或負極處，利用線圈的電磁感應測量電流。但是羅氏線圈只能測量整體的電流大小及變化，無法測量等離子體局部電流分布。磁探針法可以測量局部磁場變化，并根據安培定律，計算等離子體局部電流大小，但是磁探針會和等離子體產生物理接觸，直接影響Z箍縮等離子體的動力學過程，同時，因為Z箍縮等離子體具有高溫大電流的特點，會直接燒毀磁探針。

發明內容

本發明的目的在于解決現有技術中無法精確測量Z箍縮等離子體的局部電流密度的問題，提供一種基于光學方法的等離子體局部電流測量裝置及方法

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：

第一方面，本發明提供一種基于光學方法的等離子體局部電流測量裝置，包括高能脈沖激光器，所述高能脈沖激光器的出射光路上設置第一分光鏡，高能脈沖激光經第一分束鏡分出的干涉激光入射到馬赫-曾德爾干涉儀，透射光入射到真空腔體中的Z箍縮等離子體中產生湯姆遜散射光，湯姆遜散射光入射到湯姆遜散射診斷裝置中；馬赫-曾德爾干涉儀和湯姆遜散射診斷裝置將等離子體干涉條紋圖像和湯姆遜散射光譜反饋至處理單元，處理單元根據等離子體干涉條紋圖像和湯姆遜散射光譜計算等離子體局部電流。

進一步地，本發明馬赫-曾德爾干涉儀包括第一反射鏡，所述干涉激光入射到第一反射鏡上，第一反射鏡的反射光路上設置第二分束鏡，第二分束鏡的反射光路上設置第二反射鏡，透射光經Z箍縮等離子體后入射到第三反射鏡上；第二反射鏡的反射光路上依次設置第三分束鏡和數碼相機；第三反射鏡的反射光入射到第三分束鏡上，經第三分束鏡反射后進入數碼相機。

進一步地，本發明高能脈沖激光出射光路上設置光束采樣鏡，高能脈沖激光經光束采樣鏡后，反射光進入光電二極管產生觸發信號，觸發信號經傳輸線傳輸至ICCD相機。

進一步地，本發明湯姆遜散射診斷裝置包括光譜儀和ICCD相機；所述第一分束鏡的透射光路上設置有聚焦透鏡；湯姆遜散射光經消色差透鏡輸入到光譜儀的狹縫中，并通過ICCD相機記錄散射光的光譜信息。

進一步地，本發明光譜儀為反射式光柵光譜儀。

進一步地，本發明高能脈沖激光經過Z箍縮等離子體后，穿過真空腔體的高能脈沖激光入射到束流收集器。

進一步地，本發明高能脈沖激光器上連接有信號發生器，使高能脈沖激光器觸發時間與產生Z箍縮等離子體的觸發時間同步。

第二方面，本發明提供一種基于光學方法的等離子體局部電流測量方法，包括以下步驟：