СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИДИМОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ТЕРМОЯДЕРНОЙ ПЛАЗМЫ

Полезная модель относится к устройствам для измерения функции распределения яркости излучения от длины волны излучения в видимой области спектра (спектрометрам). Такие спектрометры широко применяются в различных областях экспериментальной физики.
-3
Предлагаемая конструкция спектрометра предназначена для экспериментов, проводимых в рамках программы управляемого термоядерного синтеза на установках с магнитным удержанием плазмы, в частности токамаках. Это, в первую очередь, исследование формы спектров водорода и примесей на токамаках предреакторного поколения. Как показали проведенный анализ соответствующих экспериментальных данных, полученных на современных установках такого типа, а также численное моделирование экспериментов на токамаках следующего поколения основными требованиями к спектрометру, предназначенному для упомянутых экспериментов, являются хорошее спектральное разрешение (не более 0,02 нм) и низкий уровень рассеянного света (не более 10).
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ТЕРМИНОВ И СОКРАЩЕНИЙ
Спектрометр - устройство, предназначенное для измерения функции распределения яркости излучения от длины волны излучения;
Функция распределения яркости излучения от длины волны определяется формулой , где B - яркость излучения, λ - длина волны излучения;
Координатно-чувствительный детектор - прибор, предназначенный для измерения зависимости освещенности излучения (например, света) от координат элементарной области рабочей поверхности;
Волоконно-оптический жгут - набор отдельных светопроводящих волокон, организованных в продольную структуру;
Оптический коллиматор - оптический элемент, уменьшающий числовую апертуру светового пучка.
Близким к предлагаемому по технической сущности использованных инженерных решений является дифракционный полихроматор спектрометра QE 65000 фирмы «Ocean Optics» (Catalog 2007). Такой полихроматор построен по скрещенной схеме Черни-Тернера и содержит, размещенные в общем корпусе, плоскую дифракционную решетку, два вогнутых сферических зеркала, играющих роль коллиматорного и камерного объективов, набор пропускающих фильтров, отрезающих коротковолновое излучение, входную щель и координатно-чувствительный приемник излучения с фильтром, отрезающим излучение 2-го и 3-го порядков спектра.
Недостатками данного устройства являются низкое спектральное разрешение (0,12 нм) и высокий уровень рассеянного света (0,1), которые не позволяют использовать этот прибор для поставленных перед заявителем задач.
Наиболее, близким к предлагаемому является спектрометр для исследования видимого излучения термоядерной плазмы, разработанный для проведения экспериментов на токамаке Т-15 [Березовский Е.Л. и др., Перезарядочная спектроскопия на Т-15, Препринт ИАЭ-5415/7, Москва, 1991 - прототип], содержащий основание с закрепленными на нем входным волоконно-оптическим жгутом, входной щелью, автоколлимационным объективом, дифракционной решеткой, зеркалом обратного хода (автоколлимационным зеркалом - в терминах прототипа), выходным волоконно-оптическим жгутом и координатно-чувствительным детектором.
Описанный прототип обладает следующими недостатками.
Первым недостатком является крайне низкое (1-4% в зависимости от параметров настройки прибора) светопропускание. Это приводит к снижению полезного сигнала и соответственному увеличению статистической ошибки измерений.
Второй недостаток - высокий (не менее 0.08) относительный уровень помехи, связанной с рассеянным в спектрометре светом, который также влечет за собой увеличение статистической и систематической ошибок измерений
-2
Технический результат предлагаемого спектрометра заключается в снижении статистической и систематической погрешностей измерений, а также повышению надежности работы спектрометра за счет улучшения спектрального разрешения до величины примерно 0,01 нм/мм и снижения относительного уровня рассеянного света ниже 10.
Для достижения указанного результата предложен спектрометр для исследования видимого излучения термоядерной плазмы, содержащий основание с установленными на нем входным волоконно-оптическим жгутом, входной щелью, автоколлимационным объективом, плоской дифракционной решеткой, зеркалом обратного хода, координатное чувствительным детектором, при этом автоколлимационный объектив помещен в цилиндрический корпус, а между входным волоконно-оптическим жгутом и входной щелью введена дополнительная оптическая система, собранная в отдельном корпусе с входной щелью, включающая оптический коллиматор, интерференционный фильтр и фокусирующий объектив, при этом передняя фокальная плоскость оптической системы совмещена с торцом входного волоконно-оптического жгута, а задняя совмещена с плоскостью входной щели спектрометра.
Кроме того,
- оптическая ось дополнительной оптической системы наклонена по отношению к оптической оси автоколлимационного объектива посредством промежуточного плоского зеркала, установленного в корпусе автоколлимационого объектива, на угол 131,1°.
- координатно-чувствительный детектор, закреплен на цилиндрическом корпусе автоколлимационного объектива
- между автоколлимационным объективом и координатно-чувствительным детектором установлен светонепроницаемый экран, представляющий собой шар диаметром 4,6 мм, закрепленный на гибкой опоре.
На фиг. 1 показан общий вид спектрометра. Внешний светозащитный кожух на фигуре не показан.
На фиг. 2 приведен разрез спектрометра плоскостью, параллельной основанию, проходящей через оси дополнительного оптического устройства и автоколлимационного объектива.
Позициями обозначены:
1 - основание;
2 - входной волоконно-оптический жгут;
3 - автоколлимационный объектив;
4 - дифракционная решетка;
5 - зеркало обратного хода;
6 - корпус дополнительного оптического устройства;
7 - входная щель;
8 - оптический коллиматор;
9 - интерференционный фильтр;
10 - фокусирующий объектив;
11 - промежуточное плоское зеркало;
12 - координатно-чувствительный детектор;
13 - корпус автоколлимационного объектива;
14 - светонепроницаемый экран.
Указанный технический результат достигается тем, что в спектрометре, содержащем основание 1 с установленными на нем входным волоконно-оптическим жгутом 2, автоколлимационным объективом 3 (световой диаметр - 100 мм, фокусное расстояние - 500 мм), плоской дифракционной решеткой 4 (размеры - 100×150 мм, штриховка параллельна короткой стороне и перпендикулярна основанию, частота штрихов - 1800 мм), зеркалом обратного хода 5 (плоское диэлектрическое зеркало, размеры - 100×150 мм) и координатно-чувствительным детектором, между входным волоконно-оптическим жгутом и входной щелью
устанавливается дополнительное оптическое устройство, собранное в отдельном корпусе 6 с входной щелью 7, включающее оптический коллиматор 8, интерференционный фильтр 9 и фокусирующий объектив 10. Оптическая ось дополнительного оптического устройства наклонена по отношению к оптической оси автоколлимационного объектива посредством промежуточного плоского зеркала 11 на угол 131,1°. Координатно-чувствительный детектор 12 закреплен на цилиндрическом корпусе автоколлимационного объектива 13. Между автоколлимационным объективом и координатно-чувствительным детектором устанавливается светонепроницаемый экран 14, представляющий собой шар диаметром 4,6 мм, закрепленный на гибкой опоре.
Спектрометр работает следующим образом. Свет на вход спектрометра подается при помощи волоконно-оптического жгута 2, торец которого располагается в передней фокальной плоскости оптического коллиматора 8. Оптический коллиматор 8 преобразует расходящийся поток световых лучей из волоконно-оптического жгута в квазипараллельный, что необходимо для штатной работы интерференционного фильтра 9. Установленный за фильтром фокусирующий объектив 10 формирует изображение торца входного волоконно-оптического жгута 2 на входной щели 7. Оптическая ось светового пучка, выходящего из входной щели 7 располагающейся в передней фокальной плоскости автоколлимационного объектива 3, так же, как и оптическая ось автоколлимационного объектива 3, параллельна плоскости основания 1 и смещена по часовой стрелке относительно оси автоколлимационного объектива 3. Квазипараллельный световой пучок с выхода автоколлимационного объектива попадает на дифракционную решетку 4, где испытывает первичную дифракцию и падает на зеркало обратного хода 5 перпендикулярно поверхности последнего. Отражаясь от зеркала обратного хода 5, световой пучок возвращается на дифракционную решетку 4, испытывает вторичную дифракцию и попадает в автоколлимационный объектив 3. Автоколлимационный объектив 3 формирует изображение спектра на светочувствительной поверхности координатно-чувствительного детектора 12.
Введенная между входным волоконно-оптическим жгутом 2 и входной щелью 7 дополнительная оптическая система, состоящая из оптического коллиматора 8, интерференционного фильтра 9 и фокусирующего объектива 10, передняя фокальная плоскость изображения которой совмещена с торцом входного волоконно-оптического жгута, а задняя - с плоскостью входной щели спектрометра, позволяет, выбирая соответствующим образом фокусные расстояния оптического коллиматора 8 и фокусирующего объектива 10, оптимально согласовать числовые апертуры волоконно-оптического жгута 2 и автоколлимационного объектива 3 и снизить потери света.
Установленный между оптическим коллиматором 8 и фокусирующим объективом 10 дополнительной оптической системы полосовой интерференционный фильтр 9, центральная длина волны спектрального диапазона пропускания которого совпадает с центральной длиной волны исследуемого участка спектра, при этом ширина спектральной (полосы пропускания значительно меньше, нежели таковая у используемого координатно-чувствительного детектора 12, обеспечивает снижение относительного уровня рассеянного в спектрометре света в несколько десятков раз.
То, что ось корпуса дополнительного оптического устройства 6 наклонена по отношению к оптической оси автоколлимационного объектива 3, позволяет получить изображение спектра на рабочей поверхности координатно-чувствительного детектора 12 без использования выходного волоконно-оптического жгута, присутствующего в прототипе. Это обеспечивает уменьшение в несколько раз потерь света и соответствующее снижение статистической погрешности измерений.
Установка между автоколлимационным объективом 3 и координатно-чувствительным детектором 12 светонепроницаемого экрана 14, расположенного вблизи плоскости максимальной освещенности, создаваемой зеркально отраженным от вогнутых поверхностей автоколлимационного объектива светом, попадающим на автоколлимационный объектив со входа спектрометра, обеспечивает снижение относительного уровня рассеянного в спектрометре света примерно на порядок величины.