基于HL-2A托卡马克斜窗口光路系统设计

　　摘要：在HL_2A托卡马克装置上，利用电荷交换复合光谱方法测量高温等离子体的粒子参数是十分有效的。为了获得在可见光谱段480~650 nm的信号，满足在斜视的空间几何位置上获得较大的观察视场，以及要满足光纤数值孔径很小等要求，利用ZEMAX光学设计软件设计了一组由一个反射镜，4片透镜组成的光学系统，并且利用像面弥散光斑的尺寸验证了系统的有效性。

　　0 引言

　　在聚变等离子体诊断的实验过程中，电荷交换复合光谱法（Charge eXchange Recombination Spectroscopy,CXRS）由于其自身的优点，在各个托卡马克装置中都有广泛的应用。CXRS可以对离子温度，极向与环向的旋转速度，杂质密度和输运情况进行测量。CXRS主要利用对外部注入中性粒子束与等离子体中的离子的相互作用中产生的光谱，利用高分辨率光谱仪对光谱进行采集，然后通过分析数据，并利用多普勒频移理论，就可以得到等离子体中某离子的温度，密度，旋转速度等相关参数。本文主要针对HL-2A托卡马克装置上，真空壁上的一个斜窗口，来设计对460~680 nm 可见光信号的采集的前端光学聚焦系统。该系统具有大视场、宽光束、高分辨率等的应用要求。

　　1 CXRS 测量原理简介

　　电荷交换复合谱诊断主要利用中性束注入等离子体后，与等离子发生电荷交换反应，使粒子称为类氢原子，该粒子处于高能态的电子向低能态跃迁产生的辐射的光谱，如下面的公式：

　　

　　下标b 代表中性束粒子A代表等离子体中的杂质，如碳、氧、氦等。hv 就是要采集的光信号，在实验中主要采集CVI（529.5 nm）波长处的光。让后通过测量出多普勒频移参量，就可以测出需要的等离子温度、旋转速度。

　　2 光学系统的设计

　　需要设计的空间位置如图1所示，由图可以看出此光学系统的物面与中心观察线路不垂直，由一定角度的倾斜，且由于光线从斜窗口出来，直接正对的位置，外部可利用空间不大，于是需要先加一个反射镜，再通过透镜组。由于可以利用的空间不大，且要求透镜后方接光纤，然后把信号输送到光信号采集仪器上，所以要求光学系统要尽可能的短，也就是要求有效焦距要短，且要求像方数值孔径要小，能够符合光纤的性质要求。

　　

　　为了提高像面出的成像质量，系统所包含的镜片数量要尽量少，由于非球面镜在加工的时候比较困难，所以在设计的时候都透镜的各个面采用球面或者平面。

　　本文在设计的时候选择了一个反射镜和4片球面透镜的初始结构。在ZEMAX 中的初始结构如图2 所示，此结构在像平面上所形成的弥散光斑图像大小，半径为1 000 μm,系统总长度412.2 mm,有效焦距为151 mm,像方数值孔径约为0.38.显然是不满足光纤的0.18~0.22的要求。

　　

　　再利用ZEMAX的优化功能对该系统进行优化。通过设置系统的像差取值范围，让ZEMAX优化透镜各个面的曲率，孔径大小，以及各个面之间的距离得到了图3的弥散光斑图像，这里的弥散光斑为300 μm大小，满足了系统的要求。

　　

　　而系统由于物面并非与中心轴线垂直，有一定角度的倾斜，所以物面也有一定的倾斜，经过计算知道，物面大约有0.793°倾斜。同时为了利于加工方便，透镜的边缘和透镜间的距离都得到了相应的优化。

　　3 实验应用

　　在HL-2A装置上实验中，由于在采集系统在显示数据的时候，是把数据左右位置反向放置的，所以数据如图4 中显示，右方的高峰就是所要观察的CVI（529.5 nm）信号。

　　

　　4 结语

　　本文介绍了HL-2A装置上用于电荷交换复合光谱法诊断的斜窗口光路的设计，利用ZEMAX光学设计软件进行了对该光路系统的优化，使得该系统达到了实际应用的要求。并且在HL-2A装置上由实验采集的数据也验证了该系统的有效性。（作者：陈鹏，姚列明）