通光

EAST托卡马克等离子体可见光诊断系统光学设计

杨晓飞

【摘要】AvisibleopticalplasmadiagnosticsystemisdesignedforEAST

heparticularityofperformancedemandand

workingenvironment,aninnovatedopticalstructurewasadopted,which

satisfytheopticalindexes,andminimizetheradiationandstainatthe

thewide-angleandhigh-speedvisibleplasmaimaging

systemwasdesigned,with2.5mmaperturediameter,6mmfocallength,

60°×50°fieldofview,and380~estraylight

alignment,ultsshowthatallof

htheimaging

experimentforthedischargeprocessintheEASTTokamak,thesystemwas

provedtoachievingplasmaimagingwithwide-angleandhigh-speed.%针

对EAST托卡马克等离子体可见光成像系统进行了设计.考虑等离子体成像性能要

求和使用环境的特殊性,采用独特的光路形式,在满足光学指标前提下,减小了光学元

件受到的辐射和污染.最终设计完成了通光口径2.5mm,焦距6mm,视场60°×50°,

波段380~780nm的广角高速可见光等离子成像系统,并对杂光进行分析,采取了

有效的抑制措施.装调后对各项指标测试结果表明,系统性能达到设计要求.通过对

EAST托卡马克装置的放电过程成像实验表明,系统实现了高速、广角、清晰的等离

子成像.

【期刊名称】《光电工程》

【年(卷),期】2015(042)010

【总页数】6页(P27-32)

【关键词】托卡马克装置;等离子体成像;可见光诊断;折反射结构

【作者】杨晓飞

【作者单位】苏州大学物理与光电?能源学部,江苏省先进光学制造技术重点实验

室,教育部现代光学技术重点实验室,江苏苏州215006

【正文语种】中文

【中图分类】TH751

托卡马克(Tokamak)，又称环磁机，是一种利用磁约束实现受控核聚变的环性容

器，通过约束电磁波驱动，创造氘、氚实现聚变的环境和超高温，实现对聚变反应

的控制。

EAST是中国自主设计、自主建造的新一代热核聚变装置，于2006年首次成功完

成放电实验，获得电流200kA、接近3s时间的高温等离子体放电，成为世界上

第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置[1]。

为了监控托卡马克内部在放电、加热和加料时等离子体的辐射过程，进而对其物理

现象进行分析，国内外托卡马克装置内部都设计安装了等离子体成像观测系统，波

段覆盖从X射线到长波红外，等离子体成像已成为托卡马克内部物理过程诊断的

关键技术。但目前国内的成像诊断装置大多处于低速、小视场、简易的水平，而由

于等离子体成像性能要求及使用环境的特殊性，这类装置往往难以达到预期的实验

目的。

2007年，国际热核实验堆(ITER)研究人员设计并装配一套可见红外系统，光学结

构采用不锈钢打孔平面和离轴椭球面非球面，后端采用一组卡塞格林系统拉长光路

和校正像差，实现全视场红外与部分可见光视场成像[2]。

本文介绍了EAST托卡马克可见光成像诊断系统的研制过程。通过对其使用环境和

指标要求的分析，采用独特的光路形式进行了详细的设计，并对装调后的系统进行

了成像性能的检测。

EAST可见光成像系统的实验目标是对托卡马克内部放电过程中等离子体的位置和

形状进行观测，并监视等离子体壁/天线之间的交互作用，尤其是对H-模式等离子

体的ELMys喷发过程的监视。

首先，为了对这种快速物理现象的成像和记录，高速采集是最为重要的性能要求之

一，为此除了使用高速、高灵敏度的相机外，光学系统必须具有大相对孔径和高透

过率[3-4]。

其次，为了高效观测，成像系统需要在水平和垂直两个方向同时具有较大视场，以

覆盖托卡马克装置的内壁、外壁、各窗口及天线等重要目标；而由于腔体内部复杂

的结构，系统还必须有较大景深，以满足整个观测区域同时清晰成像[5]。

第三，由于托卡马克内部放电过程中恶劣的电磁环境以及高能量粒子、X射线的溅

射，将严重污染光学元件，如何有效的防辐射也是系统研制中的关键环节[6-7]。

第四，观测过程中腔内的强杂光和250℃以上高温对系统的杂光抑制及温度适宜

能力也提出了较高要求[8-9]。另外，为实现对多种等离子体的观测，要求系统覆

盖较宽波段范围。

2.1指标要求

由系统在腔内的安装位置及观测区域范围要求，如图2所示，确定光学系统的视

场范围为竖直方向(X方向)±30°；水平方向(Y方向)-36°～+14°，对角线视场达到

80°。

系统采用高速相机AT_200cL，分辨率1628pixels×1236pixels，像元尺寸4.4

μm×4.4μm，靶面尺寸为7.16mm×5.43mm。由相机靶面尺寸及视场要求，可

以确定系统焦距为6mm。

为了尽量减少放电过程中等离子体及杂质溅射对光学元件的污染，系统采用折反射

二次成像结构，前端采用由一块凹椭球镜和一块平面反射镜组成的反射系统，平面

反射镜上的小孔为系统通光口径，通过这种结构可以将辐射限制在小孔范围内，从

而有效地保护反射镜面及后续透射元件。由于椭球镜形成的第一像面位于平面反射

镜上，反射镜上的小孔使椭球镜的轴上光线无法反射进入后面系统进行成像，因此

将形成视场范围内的一个盲点。为减小视场内的盲区，并尽量大抑制外部辐射，小

孔的尺寸不能过大，且其在视场中的位置应避开重要观测区域。而由于系统要求高

速采集，因此又需要具有大孔径，综合考虑最终选择小孔尺寸为2.5mm，系统相

对孔径1/2.4。

综上，系统的光学设计指标要求如表1。

2.2设计过程及结果

前端反射系统的设计应考虑视场范围、盲点位置，并且由于托卡马克腔内空间有限，

还要对结构尺寸重点考虑。前端系统的设计结果如图3所示，通过平面反射镜与

椭球镜光轴倾斜26.5°安装，将系统光轴折转127°。小孔形成的盲点位于水平视

场-1.79°～+1.83°。为减小反射镜尺寸，将椭球镜设计为孔径离轴，通光口径45

mm×38mm，离轴量8mm，平面反射镜通光口径为42mm×40mm。

为避免腔内高温、高辐射对CCD相机和透镜的损坏，折转后光路通过一块准直透

镜实现光路的长距离传输，最终使像面与小孔距离1550mm，使相机位于托卡

马克的外部。为适应腔内的高温环境，反射镜材料选择零膨胀玻璃Zerodur，准

直透镜也选用耐高温的融石英玻璃，口径60mm。

准直透镜后面为一块融石英材料的隔真空窗口玻璃，通过对密封组件加工安装的严

格控制，确保其在10-5～105Pa压强范围内空气泄露率低于10-10Pa.m3.s-1。

小孔距离密封窗口距离约为1150mm。

光束经过前端的汇聚、准直后，对后端成像系统形成通光口径51.5mm，相对口

径1/2.4、视场角4.5°的指标要求，由于视场较小、相对孔径较大，因此选择

Petzval复杂化结构。另外由于波段范围较宽，因此还要重点对二级光谱进行校正，

为此在第一块胶合透镜中选用了特殊色散材料HFK61和TF3，后端系统结构如图

5所示。系统成像质量如图6。

由像差曲线可以看出，包括二级光谱在内的各种像差均得到较好的校正；由MTF

曲线看出，在50lp/mm空间频率处，除最边缘(±30°，-36°)视场MTF大于0.4

外，其余视场MTF均大于0.6，设计结果具有较好的成像质量；系统边缘视场最

大畸变17%，边缘视场相对照度54%，满足使用要求。

2.3杂光分析与抑制

杂光是对图像质量影响的主要因素之一。杂光会降低像面对比度及传递函数，使像

面层次减少，清晰度变差。由于EAST成像系统观测时腔内具有强杂光，而折反射

系统一般杂光较为严重，因此必须对系统杂光进行仔细分析与抑制。

对于折反射系统，杂光及其衍生形式主要有三种，一是视场外的光束不经反射系统，

由物方经过折射元件直接到达像面，形成一次杂光；二是视场内的成像光束不按成

像路径，经镜面多次反射到达像面的杂光；三是视场外的光线经筒壁漫反射到达像

面的杂光。

EAST可见光成像系统研制中，通过对透镜表面镀增透膜及提高镜面光洁度对第二

种杂光进行抑制；通过筒壁表面毛糙处理对第三种杂光进行抑制。对于影响最为严

重的第一种杂光，通过对全视场光线追迹发现，水平方向-51°～-55°的光线将不

经过头部椭球镜和平面反射镜，而直接进入后面的透镜组，并打到靶面上，形成一

次杂光，如图7所示。为对其进行抑制，在平面反射镜小孔上端安装一个结构组

件，在保证有效视场前提下，对-51°～-55°范围的杂光进行抑制。

系统经过装调后，对视场范围、分辨率、采集速度、杂光等进行了测试，结果表明

各项性能指标均达到设计要求。装调后的系统如图8所示。将其安装到EAST托卡

马克内，观测图像效果如图9所示，盲点位置准确落在非重要观测区域。图10是

系统在某次放电试验中获得的等离子体可见光图像，相机曝光时间20μs，采集速

度达到11.6kf/s，实现了高速采集。

本文对EAST托卡马克广角可见光成像诊断系统的研制过程进行了介绍。由于等离

子成像性能要求和使用环境的特殊性，采用独特的光路形式进行设计，在满足光学

指标要求下，尽量减小光学元件受到的辐射和污染，并重点对杂光进行了分析，采

取了有效的抑制措施。

通过对装调后系统各项指标测试表明，系统性能达到设计要求。通过在托卡马克装

置上对放电过程进行的观测实验表明，系统实现了高速、广角、清晰等离子体成像。

【相关文献】

[1]徐明.EAST托卡马克上的电子回旋辐射成像及锯齿重联物理的实验研究[D].合肥：中国科技大

学，2011：ationofECEImagingandStudyofSawtooth

ReconnectionActivitiesonEAST[D].Hefei：UniversityofScienceandTechnologyof

China，2011：2-10.

[2]GauthierE，RocheH，ThomasaE，-likewide-angleinfraredthermography

andvisibleobrvationdiagnosticusingreflectiveoptics[J].FusionEngineeringand

Design，2007，82：1335–1340.

[3]高丽，庄革，胡希伟，等.J-TEXT托卡马克上的可见光CCD成像系统[J].科学技术与工程，

2008，8(2)：，ZHUANGGe，HUXiwei，eLightCCDImaging

SystemonJ-TEXTTokamakDevice[J].ScienceTechnologyandEngineering，2008，8(2)：

353-356.

[4]杨立梅，于利明，余德良，等.用光谱法测量HL-2A中性束注入器离子束成分[J].核聚变与等

离子体物理，2009，29(4)：mei，YULiming，YUDeliang，r

shiftspectroscopyforthemeasurementofionspeciesofHL-2Aneutralbeaminjector[J].

NuclearFusionandPlasmaPhysics，2009，29(4)：361-364.

[5]韩晓玉，段旭如，杨立梅，等.HL-2A装置上CXRS诊断的系统设计[J].核聚变与等离子体物

理，2011，31(3)：oyu，DUANXuru，YANGLimei，tem

designofCXRSdiagnosticonHL-2Atokamak[J].NuclearFusionandPlasmaPhysics，

2011，31(3)：228-234.

[6]EvennHT，DurstR，FonckRJ，ldiagnostictomeasureion

temperatureandparallelvelocityfluctuationsontheTokamakFusionTestReactor[J].

ReviewofScientificInstruments(S0034-6748)，1995，66(1)：845-847.

[7]MarmarES，BoivinRL，GranetzRS，solutionvisiblecontinuum

imagingdiagnosticontheAlcatorC-ModTokamak[J].ReviewofScientific

Instruments(S0034-6748)，2001，72(1)：940-943.

[8]陈文章.托卡马克装置CXRS光谱分析[D].成都：电子科技大学，2011：

ectralanalysisonTokamakfacility[D].Chengdu：Universityof

ElectronicScienceandTechnologyofChina，2011：42-50.

[9]吴元杰，朱建华，郝屹，等.HL-2A托卡马克装置CXRS光学系统设计[J].光电工程，2012，

39(6)：jie，ZHUJianhua，HAOYi，lSignalAcquisition

SystemDesignofCharge-exchangeRecombinationSpectroscopyonHL-2ATokamak

Facility[J].Opto-ElectronicEngineering，2012，39(6)：96-101.