DCN激光器輸出性能優化研究范文

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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裝置遠紅外激光干涉儀光源——dcn激光器的工作原理、結構和相關改進。DCN激光器采用He、CD4、D2和N24種工作氣體。實驗過程中，通過調節氣體壓強和陰極電流、改變各種工作氣體配比等手段優化DCN激光器輸出功率。實驗結果顯示：輸出功率隨電流的增大會達到飽和，在電流為1.0A輸出功率達到最大；輸出功率隨壓強先增大后減小，在壓強為32Pa時達到最大值；工作氣體的最佳配比為He:CD4:D2:N2=2:3:5:3。

關鍵詞：

DCN激光器；輸出功率優化；氣體配比；工作壓強

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械振動等影響，遠紅外激光[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空分布的常規方法之一。EAST裝置是中國自行設計研制的國際首個全超導托卡馬克裝置，旨在近堆芯的高參數條件下研究等離子體的穩態和先進運行，深入探索實現聚變能源的工程、物理問題。2014年EAST裝置升級，加熱功率超過20MW，因此長脈沖高參數運行將成為EAST裝置的主要研究方向，傳統的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]。本文介紹激光器優化過程中獲得的一系列實驗結果，即通過實驗系統研究DCN激光器的輸出功率隨氣體配比和壓強的變化，并調節相關參數達到對激光器輸出功率的優化，為EAST遠紅外干涉儀測量得到準確的密度參數奠定基礎。

2波導遠紅外DCN激光器的工作原理

EAST裝置上的遠紅外DCN激光器采用直流輝光放電式的激勵方式。在所有用直流輝光放電激勵的激光器中，相應的DCN激光器的輸出功率是最大的[6]。對于連續波放電的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]，因此在實際操作中，需要盡量調制出這一波長的激光使用。DCN分子氣體激光器是一種振轉躍遷激光器，其能級躍遷是同一電子態的兩個振動態的轉動能級之間的躍遷[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分子有兩個拉伸振動態和一個彎曲振動態，其轉動特征由歸一化角動量子數描述[9]。DCN分子由輝光放電時由CD4、N2之間的化學反應生成。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，能使放電穩定。

3DCN激光器的結構及改進設計

已經研制成功的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，工作時放電管內氣體溫度不會升高，雜質氣體也可以及時排出，因而激光器能長時間穩定工作。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。通常用于遠紅外氣體激光器中的陰極材料鉭因為濺射率較高，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]，并且在結構上加以改進。LaB6是藍紫色硼化物陶瓷產品，是很好的熱電子發射材料[12]，可以在可拆卸的真空系統中使用，耐離子轟擊，蒸發率低，抗濺射，壽命更長。它的基本性能為：熔點約2715℃、電子逸出功4.5991019J、平均發射電流密度約為8Acm2、使用溫度約1500℃、抗中毒性、可反復暴露大氣使用、伏安特性良好、電阻率0.15μΩm、理論密度4.721cm3。LaB6的發射機理尚未定論，一種解釋是因為La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。目前EAST裝置上使用的激光器陰極LaB6的化學成分為LaB699.5%、B≥29.0%、Si≤0.01%、Fe≤0.06%、Ca≤0.03%、Cu≤0.02%、W≤0.02%、Co≤0.02%。最初實驗中采用發射面積較大的LaB6中空陰極，半間熱式結構。LaB6中空陰極30.3mm，壁厚3mm，通過石墨套環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上從而與電極連接。LaB6與鉬棒無接觸以避免發生化學反應。石墨與LaB6不發生化學反應，只起到電連接和熱屏蔽的作用。激光器電源接通后，首先點亮鉬棒，鉬棒是主要的電子發射體，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，LaB6的熱電子電流發射密度遠高于鉬棒，成為主要的發射體。在實驗中發現：(1)在安裝了LaB6陰極開始放電的一天左右時間和電流大于0.8kA的條件下，激光器會出現對石墨套環和鎢銅支撐棒的打火，使激光器工作不穩定；(2)加熱體鉬棒使用一段時間后，由于蒸發和長時間離子轟擊后發生斷裂，嚴重影響了整個陰極的工作壽命。基于上述問題，對LaB6的結構做了關鍵的改進，如圖2所示。改進之處為：(1)從1100~3000K，同溫度下鉭的蒸發率一般比鉬低2~6個數量級，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象；(4)考慮到鉬棒斷裂的部位對鉭棒的形狀做了改進。采用改進后LaB6陰極后，陰極壽命從之前的1個月延長至3個月以上，明顯提高了DCN激光器的穩定性。

4DCN激光器的輸出特性

DCN激光器通常使用的工作物質是N2、CD4與He的混合氣體，CD4和N2之間化學反應生成DCN分子，He作為輔助氣體，能使放電穩定。但是當激光器運行時間超過20h，且放電管溫度低于155℃時，激光管內壁出現棕褐色沉積物，同時激光器輸出功率隨附著物增加而急劇下降。雖有文獻說明，只要管壁溫度超過140℃，激光管內壁不會出現沉積物，實際運行中，隨時間增加，仍有沉積物生成。常規辦法是在高溫(140℃)下轉動管壁或者水蒸氣放電清洗管壁，但無法滿足EAST實驗連續運行的需求。氦氣雖然與合成DCN無關，但是作為穩定氣體，可以穩定放電，輸出功率明顯改善。但是實驗過程中發現，在氦氣條件下，管壁會產生棕色沉積物，連續運行幾十小時后必須開腔清洗，無法滿足連續運行的需要[13]。通過實驗，發現加入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。為了優化激光器功率輸出，在之前的工作基礎上，通過實驗系統研究了工作氣體中各種氣體配比和總壓強變化對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制頻率為50Hz的低頻斬波器，激光器輸出激光經過光路聚焦后利用熱釋電低頻探頭測量。鑒于目前沒有經過功率儀絕對定標，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化按照文獻上的配比N2:CD4:D2:He=3:3:3:2時，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，獲得穩定的DCN激光功率輸出(當通過激光器一段的螺旋測微器調節反射鏡的水平位移從而調節腔長時，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改變氣體流量來改變單個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系。取每次配比所調出的最大值后比較激光輸出功率，最終找到能達到最大輸出功率的放電參數。在He:CD4:D2=2:3:3比例不變時，改變N2的比例，發現隨著N2比例的加大，激光器輸出功率變化明顯，如圖3所示。實驗同時發現在4種氣體比例為He:CD4:D2:N2=2:3:3:3.7時，輸出功率達到最大值。但是，當N2/CD4比值大于3時，DCN激光器放電不穩定，輸出狀態在兩種模式間切換即正常放電狀態和無序放電狀態，一般無序放電狀態下輸出功率會低于正常放電狀態的30%。當He:CD4:N2=2:3:3比例不變時，改變D2比例，發現在He:CD4:D2:N2=2:3:5:3時，輸出功率達到最大值，結果如圖4所示。在改變D2得出最佳比例值的基礎上，改變He的比例，即在CD4:D2:N2=3:5:3時，改變He比例，得出He:CD4:D2:N2=2:3:5:3時，輸出功率達到最大值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，改變CD4比例，得出He:CD4:D2:N2=2:3:5:3時，輸出功率最大，如圖6所示。實驗過程中，保持激光器電流為0.7A，放電電壓為4.5kV，管內壓強為40Pa。最終得到在氣體比例在He:CD4:D2:N2=2:3:5:3，DCN輸出功率達到最大。

4.2壓強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壓強并測量激光輸出功率，可以獲得激光輸出功率和管內壓強的關系，實驗結果如圖7所示。實驗結果顯示，輸出信號隨氣壓的變化非常大，在管內壓強為31Pa時輸出功率達到最大值。

4.3工作電流對壓強的影響在已經得到的最佳氣體配比下，在激光器穩定工作時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，發現輸出功率開始時變化很小，從0.6A時開始變大，當電流達到1.0A時，輸出功率飽和。

5總結

與討論為了適應EAST裝置長脈沖高參數等離子體的運行，研制成功了DCN激光器。DCN激光器采用了LaB6陰極，同時通過一系列系統實驗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，發現氣壓在32Pa時輸出功率最大。與此同時，本次在長時間的放電實驗中，大功率連續波激光器[14,15]連續工作，并未發現管壁有明顯褐色附著物產生，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遠紅外DCN干涉儀的研制打下了基礎。

參考文獻：

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[9]高翔,劉海慶,揭銀先,等.太赫茲連續波DCN激光器的實驗研究[J].激光技術,2006,30(1):6469.

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[11]劉學愨.陰極電子學(第一版)[M].北京:科學出版社,1980.

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[13]徐軍,高翔,揭銀先,等.HT-7超導托卡馬克中DCN激光器的研制[J].激光與紅外,2005,35(4):234236.

作者：魏學朝 沈潔 揭銀先 曾龍 劉海慶 單位：中國科學院等離子體物理研究所