引用本文
胡纯栋, 焉镜洋, 王艳, 梁立振. 强流离子源光腔衰荡光谱应用研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2018,38(2): 346-351.
HU Chun-dong, YAN Jing-yang, WANG Yan, LIANG Li-zhen. Study on Cavity Ring-Down Spectroscopy in High Power Ion Source[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018,38(2): 346-351.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2018)02-0346-06  
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强流离子源光腔衰荡光谱应用研究
胡纯栋1,2, 焉镜洋1,2, 王艳1,2, 梁立振1,*
1. 中国科学院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 230031
2. 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
*通讯联系人 e-mail: lzliang@ipp.ac.cn

作者简介: 胡纯栋, 1963年生, 中国科学院等离子体物理研究所研究员 e-mail: cdhu@ipp.ac.cn

收稿日期: 2016-05-12 接受日期: 2016-11-22
基金: 国家自然科学基金项目(11675216, 11575240), 中国科学院等离子体所基金项目(DSJJ-14-JC07)资助
摘要

强流离子源是托卡马克中性束注入器的核心部件, 为了满足未来对高能量离子束中性化效率的要求, 负离子源成为中性束注入系统的首选。 光腔衰荡光谱(cavity ring-down spectroscopy, CRDS)是一种超高灵敏探测吸收光谱技术。 在强流负离子源中, 利用氢负离子的光致剥离过程, CRDS可以用来测量氢负离子的绝对积分密度。 与激光光致剥离法与光学发射光谱法相比, CRDS具有不受电磁干扰、 不依赖等离子体参数、 测量精度高等优点。 强流离子源负离子密度测量所用CRDS系统由激光器、 光学谐振腔、 光电探测器和数据采集系统四部分组成。 本文根据CRDS测量氢负离子密度的原理, 详细推导了氢负离子密度的计算方法, 给出了氢负离子密度测算表达式; 然后, 结合强流离子源实验室应用的具体情况, 分析了各部分装置的选择原则与注意事项; 最后, 介绍了CRDS技术在德国马克斯-普朗克等离子体物理研究所、 日本国立聚变科学研究所、 意大利Consorzio RFX研究所强流负离子源研究中的应用情况。 实验结果表明, 源腔气压、 源功率等源参数会影响氢负离子密度; 铯的注入可以将氢负离子密度从1016 m-3量级提高到1017 m-3量级; 同时, 日本NIFS的实验结果证明氢负离子密度与引出电流呈线性关系。

关键词: 光腔衰荡光谱; 氢负离子; 强流离子源
中图分类号:O433 文献标志码:A
Study on Cavity Ring-Down Spectroscopy in High Power Ion Source
HU Chun-dong1,2, YAN Jing-yang1,2, WANG Yan1,2, LIANG Li-zhen1,*
1. Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China
2. University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
Abstract

High power ion source is a core component of neutral beam injector for tokamak. Negative ion source is the reference source for ITER neutral beam injection system as negative ion beam has a high neutralization efficiency in high energy. Cavity ring-down spectroscopy (CRDS) is a highly sensitive optical absorption spectroscopic technique. CRDS is able to measure the absolute line-of-sight integrated density of negative hydrogen ions based on photodetachment process. Compared with laser photodetachment method and optical emission spectroscopy, CRDS is insensitive to electromagnetic interference and doesn’t need plasma parameters for calculating, thus yielding reliable results. CRDS system is composed of laser, optical cavity, detector and data acquisition system. Equipment selection principle was analyzed. The basic principle of CRDS was presented, and then the analytical form of using CRDS to measure H- density was derived in detail. CRDS has already been applied to high power ion source in laboratories of Germany, Japan and Italy. Results displayed that source parameters, including pressure and power, affected H- density. H- density increased from 1016 m-3 magnitude to 1017 m-3 magnitude in Cs seeded operation. The linearity between H- density and extracted current was proved by NIFS.

Keyword: Cavity ring-down spectroscopy; Negative hydrogen ion; High power ion source

引 言

中性束注入加热是托卡马克上对等离子体外部加热和维持的主要手段之一[1]。 当束能量大于100 keV· amu-1时, 正离子束中性化效率过低, 而负离子束中性化效率仍能保持在60%以上。 因此, 随着磁约束核聚变研究的不断深入, 强流负离子源成为中性束注入系统的首选。

负离子源中负离子的产生主要有两个方式: 空间产生负离子(volume process)和表面产生负离子(surface process)。 在中性束注入系统所需的低气压条件下, 空间产生负离子的效率过低, 负离子主要由氢正离子或者氢原子与电极表面附着的低逸出功材料(主要是铯)碰撞获得一个或多个电子形成。 由于产生的负离子只能存在电极表面几个厘米范围内, 因此只有在等离子体电极(plasma Grid)表面产生的负离子能够被引出和加速[2]。 氢负离子的动态变化是负离子源研究的一个重要问题, 对此研究人员一方面开展了丰富的数值模拟[3, 4], 另一方面还发展了多种实验方法测量离子源中的氢负离子密度、 分布等, 进而开展相关实验研究。

强流离子源氢负离子密度测量主要有三种方法: 光腔衰荡光谱法(cavity ring-down spectroscopy, CRDS)、 激光光致剥离法(laser photodetachment method, LD)和光学发射光谱法(optical emission spectroscopy, OES)[5]。 CRDS可以测出氢负离子在衰荡腔路径上的绝对积分密度。 LD需要已知电子的密度, 才能推导出氢负离子的密度; 同时, LD方法测量的是密度比在磁场中的平均值, 容易被强流离子源周围强烈的电磁信号干扰[6]。 OES从碰撞辐射模型中导出氢负离子的束径积分密度, 需要已知电子的温度和密度以及氢原子的密度, 导致很难估计测量结果的精度[7]。 CRDS具有自校准性和对电磁干扰和磁场不敏感的优点。

1 CRDS氢负离子密度的测量原理

光腔衰荡光谱法是一种超高灵敏探测吸收光谱技术[8]。 CRDS基本组成包括激光源、 由两片高反射镜构成的光学衰荡腔、 光学探测器和数据采集系统(见图1)。 光腔衰荡光谱工作原理可以简述为: 一束激光脉冲从一侧进入衰荡腔, 在腔内来回反射, 激光能量由于吸收介质的吸收和其他损耗逐渐减弱, 同时, 光学探测器在另一侧接收透射出的激光信号, 将激光信号进行光电转换之后传送给数据采集系统, 数据采集系统将采集到的信号进行指数拟合得到衰荡时间, 通过比较有吸收介质和没有吸收介质下的衰荡时间就可以计算出吸收介质的密度。

图1 光腔衰荡光谱系统示意图Fig.1 Framework of CRDS

CRDS通过光致剥离过程测量氢负离子密度。 激光通过诊断窗口进入强流负氢离子源, 引起负离子的光致剥离

H-+hν→H+e-(1)

式(1)中, 氢负离子吸收光子转换为氢原子, 激光能量减弱。 由Lambert-Beer定律可以推导出光学探测器探测到的第一个信号强度为

I0=ILaser(1-R)2exp(-nσL)(2)

式(2)中, ILaser为激光发射器发射的激光强度, R是高反镜的反射率, L是氢负离子在光腔轴线上的距离, 即吸收距离, n是氢负离子密度, σ 是氢负离子对应于激光的光致剥离截面。 如果I是激光在腔内经过N次往返后的强度, 那么吸收率可以由式(3)表示

I/I0=R2Nexp(-2NnσL)(3)

把t=2Nd/c代入离散函数式(3), 可得到激光能量随时间变化的连续函数, 其中d是腔的长度, c是光速。

I/I0=exp-tτ(4)

式(4)中

1τ=1τ0+nσLdc(5)1τ0=-clnRd(6)

这两个参数分别为有吸收介质衰荡时间和无吸收介质衰荡时间。 在实际实验中, 光腔内有一些未知的光学损耗, 在式中可以添加一个参数X代表这些未知损耗, 见式(7)

1τ0=-clnRd+X(7)

将式(5)变形, 即可推导出氢负离子的密度, 见式(8)

n=1c1τ-1τ0dL1σ(8)

因此, 实际测量中, 只需要根据衰荡信号拟合出两个衰荡时间, 就可以在其他光学损耗未知的条件下计算出氢负离子绝对密度。

2 实验装置的选择原则
2.1 激光器

氢原子的低电子亲和力导致其光剥离截面积非常大, 因此可以选择激光等辐射源剥离足够多的氢负离子, 产生足够明显的信号[9]。 氢负离子的光剥离截面积在红外波段达到峰值, 约为4× 10-21 m2(见图2)。 实际测量中通常使用波长为1 064 nm的商业化Nd∶ YAG激光器作为激光源, 对应的光剥离截面为σ =3.5× 10-21 m2。 理论上也可以使用532 nm激光器, 由于是在可见光范围内, 可以简化调整高反镜的过程, 但是, 这个波长的激光会增加氢分子对激光的再吸收的概率, 同时减小光剥离截面积。 激光脉冲宽度根据它与衰荡腔纵模匹配的原则进行选择, 如果腔长较短, 则激光脉冲宽度也要减小, 避免激光信号产生重叠。

图2 H-离子光致剥离截面Fig.2 Cross section for photodetachment of electrons from H-

2.2 光学衰荡腔

光学衰荡腔由两片高反镜组成, 高反镜反射率越高, 信号的衰荡时间越长, 测量精度也随之提高。 由于离子源工作环境复杂, 高反镜的调整与维持是整个系统的重点。 实验中可以选择三维可调镜架或者氟橡胶O型圈配合精密螺纹对高反镜进行高精度调整。 长时间工作后要对衰荡腔进行检查, 防止光路改变影响测量精度。

2.3 光学探测器

光学探测器用来探测透出衰荡腔的衰荡信号, 将光信号转换为电信号, 便于后端系统的采集。 实验中选用的光学探测器要对相应波长激光脉冲敏感, 具有较高的量子效率, 可以选择光电倍增管或雪崩二极管。 光电倍增管灵敏度高, 但自身电容较大, 响应速度较慢, 并且需要外加高压。 雪崩二极管构造简单, 响应速度快, 不需要外加高压, 不过增益比光电倍增管小很多, 需要前置放大器对输出的信号进行进一步放大[10]。

2.4 数据采集装置

数据采集装置主要对放大后的光学探测器输出的电信号进行采集, 随后对信号进行指数函数拟合, 求出衰荡时间, 进而计算出负离子密度。 由于衰荡腔线度尺寸在米量级, 强流离子源氢负离子测量中一般采用高速数据采集卡对衰荡信号进行采集和分析。 高速数据采集卡采样速率高, 配合相应的软件程序可以实现快速采集处理功能, 同时具备可视化操作。

3 CRDS测量强流离子源氢负离子密度的应用

近年来, 随着ITER中性束注入系统研究的发展, 为了进一步优化、 提升强流负离子源的性能, 德国马克斯-普朗克等离子体物理研究所[11]、 日本国立聚变科学研究所[12]、 意大利Consorzio RFX研究所[13]先后发展了强流负离子源光腔衰荡光谱诊断技术。

德国马克斯-普朗克等离子体物理研究所Fantz等自2008年便开始利用CRDS进行了大功率射频负离子源的诊断, 诊断系统布局如图3所示。 其实验系统的光学衰荡腔腔长1.2 m, 使用1 064 nm Nd∶ YAG激光器, 激光功率50 mJ; 使用铟镓砷雪崩二极管作为光电探测器。 诊断位置为扩散区距等离子体电极3 cm, 垂直方向距离电极中心15 cm处。

图3 BATMAN装置CRDS系统布局Fig.3 Experimental setup of CRDS at the BATMAN test facility in IPP

利用该诊断系统, 实验人员研究了铯对氢负离子密度的影响, 在没有铯注入和有铯良好注入条件下分别测量氢负离子的产额, 实验结果表明在有良好的铯注入条件下, 氢负离子密度可以从1016 m-3量级提高到1017 m-3量级。 此外, 实验人员着重研究了源气压、 射频功率对氢负离子密度的影响, 分别使用H2和D2进行实验, 测量结果如图4所示, 实线代表负离子密度, 虚线为引出电流密度。 在H2工作气体下, 获得了氢负离子密度和引出电流之间的关系, 如图5所示。 实验结果表明, 相同实验条件下, 氢负离子密度与引出电流密度呈线性关系, 较低的气压有利于提高氢负离子的引出效率。 同时, 实验人员还分析了CRDS测量氢负离子密度的精度, 研究发现影响精度的主要因素是吸收距离L的不确定性, 总体上会造成测量结果10%~20%的误差。

图4 不同射频功率和源气压下负离子密度与引出电流密度变化情况Fig.4 Negative ion density (full symbols) and electrically measured current density (open symbols) for different rf power and source pressure

图5 引出电流密度随负离子密度变化情况Fig.5 Extracted current density versus negative-ion density for the hydrogen data of figure 4

日本国立聚变科学研究所(NIFS)利用CRDS进行了弧放电强流负离子源的负离子密度的诊断研究。 该系统同样使用Nd∶ YAG激光器, 腔长1.2 m, 高反镜反射率为99.996%, 曲率半径1 m, 采用了可以移动的观测窗口, 其系统布局如图6所示。 实验系统激光频率为20 Hz, 使氢负离子密度测量时间分辨率达到50 ms, 其典型的衰荡曲线如图7所示。

图6 LHD-NBI装置CRDS系统布局图
实验首先验证了氢负离子密度和引出电流之间的函数关系, 类比正离子束引出, 实验人员假定引出电流与氢负离子密度满足如下关系如式(9)Fig.6 The schematic view of CRD system on the negative-ion source for LHD-NBI development

图7 有无氢等离子条件下衰荡信号曲线Fig.7 Ring-down signals without and with pure hydrogen plasma

I(H-)=en(H-)cs, H-Sexp(-1/2)(9)

其中 cs, H-=TH+/MH-, S表示PG电极引出截面积之和, TH+表示氢正离子温度, MH-是氢负离子的质量, e代表元电荷。 图7条件下测得引出电流为0.94 A, 利用式(9)计算得氢负离子密度为5.8× 1016 m-3, 通过CRDS测出的氢负离子密度为6.4× 1016 m-3。 实验结果表明利用CRDS直接测得的氢负离子密度和通过引出电流推导出来的氢负离子密度基本吻合。 同时, 实验人员利用CRDS测量了有良好铯注入条件下一次完整放电过程中弧功率和氢负离子密度的变化曲线, 时间分辨率达50 ms, 如图8所示。 图9为弧功率、 引出电流和氢负离子密度之间的关系曲线, 实验证明有铯注入并且其他实验条件相同的条件下, 弧功率与氢负离子密度呈线性关系, 氢负离子密度与引出电流也为线性关系, 因此, 氢负离子密度是弧功率和引出电流的中间参数。

图8 Cs注入下H-密度、 弧功率时间演化情况Fig.8 Time evolutions of H- density (n(H-)) and arc power of discharge (Parc) in the Cs seeded plasma

图9 Cs注入弧功率、 负离子密度、 负离子电流间变化情况Fig.9 The relation between the arc power of discharge (Parc), H- density (n(H-)) and H- current I(H-) in the Cs seeded plasma

意大利Consorzio RFX研究所利用CRDS对射频离子源测试设备SPIDER进行了氢负离子密度诊断, 诊断系统示意图如图10所示。 该系统使用Nd∶ YAG激光器, 腔长4.3 m, 高反镜反射率大于99.998%, 曲率半径为6 m, 共有四个固定的观测窗口, 分别距离等离子体电极5, 15, 25和35 mm。

图10 SPIDER装置上CRDS系统布局图Fig.10 Layout of the prototype CRDS system of SPIDER

实验人员将高反镜直接安装在离子源外壁法兰上, 既作为CRDS诊断系统的腔反射镜, 又可以直接作为观测窗口, 这样可以避免使用过多镜片对激光能量造成的衰减。 利用精密螺纹配合氟橡胶真空O型圈进行光路的调整, 精密螺纹每转动1/24圈, 光斑在腔另一侧移动2.8 mm, 满足实验调整光路的要求。 为了减小激光从小孔进入等离子体时的渐晕效应, 从而增大激光透射能量, 在第一面高反镜前加装了聚焦透镜。 当透镜焦距为3.3 m时, 可以得到最优的实验效果。 衰荡信号通过一面快镜聚焦, 进入直径1 mm的光纤传输到实验室外, 被光电探测器和数据采集系统接收, 这样可以减小实验室中的射频干扰对仪器的影响。

研究人员进一步分析了CRDS测量氢负离子密度时的精度。 实验结果表明, 氢负离子最小可测得密度为6× 1015 m-3。

CRDS测量氢负离子密度误差来源主要为衰荡时间拟合的误差和吸收距离测量的误差, 其中吸收距离L的测量是误差来源的主要因素。 进一步研究了不同计算频率下氢负离子测量的相对标准误差, 如图11所示, 实验结果表明多次测量取平均值可以减小误差, 不过会降低测量的时间分辨率。

图11 衰荡时间与负离子密度相对标准偏差随负离子密度变化情况Fig.11 Ring-down time (dashed line) and relative standard deviation of nH- (full line) vs nH-

5 结 论

光腔衰荡光谱法灵敏度高、 抗干扰能力强, 国外中性束注入实验室已经成功将CRDS技术用于强流离子源氢负离子密度测量, 并很好的应用到强流负离子源的相关研究中。 为了满足未来发展需要, 研制一套测量精度高、 性能稳定的光腔衰荡系统将有助于强流负离子源相关实验的开展, 为射频负离子源的发展奠定基础。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] Hu Chundong, Xu Yongjian. Plasma Science and Technology, 2013, 15(3): 201. [本文引用:1]
[2] Gutser R, Wunderlich D, Fantz U, et al. Plasma Physics and Controlled Fusion, 2009, 51: 14. [本文引用:1]
[3] Hatayama A. Review of Scientific Instruments, 2008, 79: 02B901(10pp). [本文引用:1]
[4] Taccogna F, Schneider R, Longo S, et al. Physics of Plasmas, 2008, 15: 10. [本文引用:1]
[5] Ikeda K, Nakano H, Tsumori K, et al. AIP Conference Proceedings, 2011, 1390: 367. [本文引用:1]
[6] Christ-Koch S, Fantz U, Berger M, et al. Plasma Sources Science & Technology, 2009, 18: 12. [本文引用:1]
[7] Fantz U, Wunderlich D. New Journal of Physics, 2006, 8: 23. [本文引用:1]
[8] O’Keefe A, Deacon D A G. Review of Scientific Instruments, 1988, 59: 2544. [本文引用:1]
[9] Bacal M. Review of Scientific Instruments, 2000, 71: 3981. [本文引用:1]
[10] Pasqualotto R, Nielsen P, Giudicotti L. Review of Scientific Instruments, 2001, 72: 1134. [本文引用:1]
[11] Berger M, Fantz U, Christ-Koch S, et al. Plasma Sources Science & Technology, 2009, 18: 8. [本文引用:1]
[12] Nakano H, Tsumori K, Nagaoka K, et al. AIP Conference Proceedings, 2011, 1390: 359. [本文引用:1]
[13] Pasqualotto R, Alfier A, Lotto L. Review of Scientific Instruments, 2010, 81: 5. [本文引用:1]