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《核聚變與等離子體物理雜志》2016年第3期

摘要：

簡要介紹了EAST裝置遠(yuǎn)紅外激光干涉儀光源——dcn激光器的工作原理、結(jié)構(gòu)和相關(guān)改進(jìn)。DCN激光器采用He、CD4、D2和N24種工作氣體。實(shí)驗(yàn)過程中，通過調(diào)節(jié)氣體壓強(qiáng)和陰極電流、改變各種工作氣體配比等手段優(yōu)化DCN激光器輸出功率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：輸出功率隨電流的增大會達(dá)到飽和，在電流為1.0A輸出功率達(dá)到最大；輸出功率隨壓強(qiáng)先增大后減小，在壓強(qiáng)為32Pa時(shí)達(dá)到最大值；工作氣體的最佳配比為He:CD4:D2:N2=2:3:5:3。

關(guān)鍵詞：

DCN激光器；輸出功率優(yōu)化；氣體配比；工作壓強(qiáng)

1引言

在聚變等離子體物理研究中，電子密度測量異常重要。等離子體電子密度可通過測量光在等離子體中傳播的折射率得到。綜合考慮電磁波傳輸和機(jī)械振動等影響，遠(yuǎn)紅外激光[1,2]波長最適合等離子體電子密度測量，目前已成為高溫等離子體電子密度診斷和電流密度時(shí)空分布的常規(guī)方法之一。EAST裝置是中國自行設(shè)計(jì)研制的國際首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置，旨在近堆芯的高參數(shù)條件下研究等離子體的穩(wěn)態(tài)和先進(jìn)運(yùn)行，深入探索實(shí)現(xiàn)聚變能源的工程、物理問題。2014年EAST裝置升級，加熱功率超過20MW，因此長脈沖高參數(shù)運(yùn)行將成為EAST裝置的主要研究方向，傳統(tǒng)的HCN激光器[3](波長為337μm)已無法滿足高密度需求，等離子體物理研究所研制成功了DCN激光器[4](波長195μm)，并將用于EAST激光干涉儀[5]。本文介紹激光器優(yōu)化過程中獲得的一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究DCN激光器的輸出功率隨氣體配比和壓強(qiáng)的變化，并調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)達(dá)到對激光器輸出功率的優(yōu)化，為EAST遠(yuǎn)紅外干涉儀測量得到準(zhǔn)確的密度參數(shù)奠定基礎(chǔ)。

2波導(dǎo)遠(yuǎn)紅外DCN激光器的工作原理

EAST裝置上的遠(yuǎn)紅外DCN激光器采用直流輝光放電式的激勵(lì)方式。在所有用直流輝光放電激勵(lì)的激光器中，相應(yīng)的DCN激光器的輸出功率是最大的[6]。對于連續(xù)波放電的DCN激光器，DCN分子光譜在200μm常見的有4條譜線，分別為190.01、194.70、189.95和194.76μm。其中194.70μm輸出功率最大[7]，因此在實(shí)際操作中，需要盡量調(diào)制出這一波長的激光使用。DCN分子氣體激光器是一種振轉(zhuǎn)躍遷激光器，其能級躍遷是同一電子態(tài)的兩個(gè)振動態(tài)的轉(zhuǎn)動能級之間的躍遷[8]。DCN分子是非對稱性分子，其原子在空間排序是直線狀的，這種排序是DCN分子有兩個(gè)拉伸振動態(tài)和一個(gè)彎曲振動態(tài)，其轉(zhuǎn)動特征由歸一化角動量子數(shù)描述[9]。DCN分子由輝光放電時(shí)由CD4、N2之間的化學(xué)反應(yīng)生成。EAST裝置的DCN激光器工作氣體是N2、CD4、D2和He的混合氣體，其中D2和He為輔助氣體，能使放電穩(wěn)定。

3DCN激光器的結(jié)構(gòu)及改進(jìn)設(shè)計(jì)

已經(jīng)研制成功的DCN氣體激光器如圖1所示。這是一臺軸向流動式的激光器，氣流方向、電流方向和光軸方向在同一條軸線上，工作氣體從放電管一端連續(xù)輸入，在另一端由真空泵抽走。由于工作氣體不斷更換，工作時(shí)放電管內(nèi)氣體溫度不會升高，雜質(zhì)氣體也可以及時(shí)排出，因而激光器能長時(shí)間穩(wěn)定工作。在氣體放電過程中，被電場加速的正離子轟擊陰極，引起陰極的濺射。通常用于遠(yuǎn)紅外氣體激光器中的陰極材料鉭因?yàn)闉R射率較高，在DCN激光器中壽命減短。因此，為了降低濺射，DCN激光器采用了六硼化鑭(LaB6)陰極[10,11]，并且在結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)。LaB6是藍(lán)紫色硼化物陶瓷產(chǎn)品，是很好的熱電子發(fā)射材料[12]，可以在可拆卸的真空系統(tǒng)中使用，耐離子轟擊，蒸發(fā)率低，抗濺射，壽命更長。它的基本性能為：熔點(diǎn)約2715℃、電子逸出功4.5991019J、平均發(fā)射電流密度約為8Acm2、使用溫度約1500℃、抗中毒性、可反復(fù)暴露大氣使用、伏安特性良好、電阻率0.15μΩm、理論密度4.721cm3。LaB6的發(fā)射機(jī)理尚未定論，一種解釋是因?yàn)長a在LaB6表面形成薄膜，使逸出功率低；另一說是LaB6本身就是逸出功率低的物質(zhì)。目前EAST裝置上使用的激光器陰極LaB6的化學(xué)成分為LaB699.5%、B≥29.0%、Si≤0.01%、Fe≤0.06%、Ca≤0.03%、Cu≤0.02%、W≤0.02%、Co≤0.02%。最初實(shí)驗(yàn)中采用發(fā)射面積較大的LaB6中空陰極，半間熱式結(jié)構(gòu)。LaB6中空陰極30.3mm，壁厚3mm，通過石墨套環(huán)和鎢銅支撐棒固定在水冷陰極底座上連接電極，鉬棒加熱體接在石墨套環(huán)上從而與電極連接。LaB6與鉬棒無接觸以避免發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。石墨與LaB6不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，只起到電連接和熱屏蔽的作用。激光器電源接通后，首先點(diǎn)亮鉬棒，鉬棒是主要的電子發(fā)射體，隨著放電電流的增大，鉬棒溫度升高，逐漸加熱LaB6到1400K以上時(shí)，LaB6的熱電子電流發(fā)射密度遠(yuǎn)高于鉬棒，成為主要的發(fā)射體。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：(1)在安裝了LaB6陰極開始放電的一天左右時(shí)間和電流大于0.8kA的條件下，激光器會出現(xiàn)對石墨套環(huán)和鎢銅支撐棒的打火，使激光器工作不穩(wěn)定；(2)加熱體鉬棒使用一段時(shí)間后，由于蒸發(fā)和長時(shí)間離子轟擊后發(fā)生斷裂，嚴(yán)重影響了整個(gè)陰極的工作壽命。基于上述問題，對LaB6的結(jié)構(gòu)做了關(guān)鍵的改進(jìn)，如圖2所示。改進(jìn)之處為：(1)從1100~3000K，同溫度下鉭的蒸發(fā)率一般比鉬低2~6個(gè)數(shù)量級，且鉭比鉬更耐離子轟擊，濺射率更低，故利用鉭棒代替鉬棒作為加熱體，克服了加熱體壽命對整個(gè)陰極的壽命限制；(2)縮小石墨的大小，僅保持其電連接的作用；(3)用鉭筒加氮化硼外罩做熱屏蔽層，使用陶瓷和氮化硼材料將石墨、金屬支撐桿絕緣，避免了石墨支撐金屬棒打火的現(xiàn)象；(4)考慮到鉬棒斷裂的部位對鉭棒的形狀做了改進(jìn)。采用改進(jìn)后LaB6陰極后，陰極壽命從之前的1個(gè)月延長至3個(gè)月以上，明顯提高了DCN激光器的穩(wěn)定性。

4DCN激光器的輸出特性

DCN激光器通常使用的工作物質(zhì)是N2、CD4與He的混合氣體，CD4和N2之間化學(xué)反應(yīng)生成DCN分子，He作為輔助氣體，能使放電穩(wěn)定。但是當(dāng)激光器運(yùn)行時(shí)間超過20h，且放電管溫度低于155℃時(shí)，激光管內(nèi)壁出現(xiàn)棕褐色沉積物，同時(shí)激光器輸出功率隨附著物增加而急劇下降。雖有文獻(xiàn)說明，只要管壁溫度超過140℃，激光管內(nèi)壁不會出現(xiàn)沉積物，實(shí)際運(yùn)行中，隨時(shí)間增加，仍有沉積物生成。常規(guī)辦法是在高溫(140℃)下轉(zhuǎn)動管壁或者水蒸氣放電清洗管壁，但無法滿足EAST實(shí)驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行的需求。氦氣雖然與合成DCN無關(guān)，但是作為穩(wěn)定氣體，可以穩(wěn)定放電，輸出功率明顯改善。但是實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在氦氣條件下，管壁會產(chǎn)生棕色沉積物，連續(xù)運(yùn)行幾十小時(shí)后必須開腔清洗，無法滿足連續(xù)運(yùn)行的需要[13]。通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加入D2可以很好地清除棕色沉積物。因此，DCN激光器使用了He、CD4、D2和N2這4種氣體作為工作氣體。為了優(yōu)化激光器功率輸出，在之前的工作基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了工作氣體中各種氣體配比和總壓強(qiáng)變化對DCN激光器輸出功率的影響。本文中DCN激光器輸出功率測量方法是在激光器陽極出口處放置一臺調(diào)制頻率為50Hz的低頻斬波器，激光器輸出激光經(jīng)過光路聚焦后利用熱釋電低頻探頭測量。鑒于目前沒有經(jīng)過功率儀絕對定標(biāo)，本文中測量的激光功率均為相對值。

4.1LaB6陰極情況下對氣體配比的優(yōu)化按照文獻(xiàn)上的配比N2:CD4:D2:He=3:3:3:2時(shí)，DCN激光器有最大的功率輸出。研制的DCN激光器工作氣體配比以此為基礎(chǔ)，獲得穩(wěn)定的DCN激光功率輸出(當(dāng)通過激光器一段的螺旋測微器調(diào)節(jié)反射鏡的水平位移從而調(diào)節(jié)腔長時(shí)，可以觀察輸出功率隨腔長的變化，并判斷激光器有無功率輸出)，然后利用流量控制計(jì)改變氣體流量來改變單個(gè)氣體在四種氣體中的比例，最終獲得激光器輸出功率與氣體配比之間的關(guān)系。取每次配比所調(diào)出的最大值后比較激光輸出功率，最終找到能達(dá)到最大輸出功率的放電參數(shù)。在He:CD4:D2=2:3:3比例不變時(shí)，改變N2的比例，發(fā)現(xiàn)隨著N2比例的加大，激光器輸出功率變化明顯，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn)在4種氣體比例為He:CD4:D2:N2=2:3:3:3.7時(shí)，輸出功率達(dá)到最大值。但是，當(dāng)N2/CD4比值大于3時(shí)，DCN激光器放電不穩(wěn)定，輸出狀態(tài)在兩種模式間切換即正常放電狀態(tài)和無序放電狀態(tài)，一般無序放電狀態(tài)下輸出功率會低于正常放電狀態(tài)的30%。當(dāng)He:CD4:N2=2:3:3比例不變時(shí)，改變D2比例，發(fā)現(xiàn)在He:CD4:D2:N2=2:3:5:3時(shí)，輸出功率達(dá)到最大值，結(jié)果如圖4所示。在改變D2得出最佳比例值的基礎(chǔ)上，改變He的比例，即在CD4:D2:N2=3:5:3時(shí)，改變He比例，得出He:CD4:D2:N2=2:3:5:3時(shí)，輸出功率達(dá)到最大值1600，如圖5所示。從圖5中可以看出，DCN激光器輸出功率對氦氣比例敏感，氦氣比例對輸出功率影響非常大。同樣，基于改變He比例得出的最佳比例值后改變CD4的比例，即在He:D2:N2=2:5:3時(shí)，改變CD4比例，得出He:CD4:D2:N2=2:3:5:3時(shí)，輸出功率最大，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)過程中，保持激光器電流為0.7A，放電電壓為4.5kV，管內(nèi)壓強(qiáng)為40Pa。最終得到在氣體比例在He:CD4:D2:N2=2:3:5:3，DCN輸出功率達(dá)到最大。

4.2壓強(qiáng)對輸出功率的影響確定了以上最佳氣體配比He:CD4:D2:N2=2:3:5:3條件下，通過掃描激光器管內(nèi)壓強(qiáng)并測量激光輸出功率，可以獲得激光輸出功率和管內(nèi)壓強(qiáng)的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，輸出信號隨氣壓的變化非常大，在管內(nèi)壓強(qiáng)為31Pa時(shí)輸出功率達(dá)到最大值。

4.3工作電流對壓強(qiáng)的影響在已經(jīng)得到的最佳氣體配比下，在激光器穩(wěn)定工作時(shí)改變工作電流的大小來得到電流變化對輸出功率的影響，如圖8所示。通過測量，發(fā)現(xiàn)輸出功率開始時(shí)變化很小，從0.6A時(shí)開始變大，當(dāng)電流達(dá)到1.0A時(shí)，輸出功率飽和。

5總結(jié)

與討論為了適應(yīng)EAST裝置長脈沖高參數(shù)等離子體的運(yùn)行，研制成功了DCN激光器。DCN激光器采用了LaB6陰極，同時(shí)通過一系列系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)得到了激光器工作氣體He、CD4、D2、N2的最佳混合氣體配比為2:3:5:3。在最佳氣體配比的條件下，通過對氣壓加倍，發(fā)現(xiàn)氣壓在32Pa時(shí)輸出功率最大。與此同時(shí)，本次在長時(shí)間的放電實(shí)驗(yàn)中，大功率連續(xù)波激光器[14,15]連續(xù)工作，并未發(fā)現(xiàn)管壁有明顯褐色附著物產(chǎn)生，陰極壽命得到了很大的延長。對氣體配比和陰極的研究為EAST遠(yuǎn)紅外DCN干涉儀的研制打下了基礎(chǔ)。

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作者：魏學(xué)朝 沈潔 揭銀先 曾龍 劉海慶 單位：中國科學(xué)院等離子體物理研究所