DCN激光器输出性能优化研究范文

《核聚变与等离子体物理杂志》2016年第3期

摘要：

简要介绍了EAST装置远红外激光干涉仪光源——DCN激光器的工作原理、结构和相关改进。DCN激光器采用He、CD4、D2和N24种工作气体。实验过程中，通过调节气体压强和阴极电流、改变各种工作气体配比等手段优化DCN激光器输出功率。实验结果显示：输出功率随电流的增大会达到饱和，在电流为1.0A输出功率达到最大；输出功率随压强先增大后减小，在压强为32Pa时达到最大值；工作气体的最佳配比为He:CD4:D2:N2=2:3:5:3。

关键词：

DCN激光器；输出功率优化；气体配比；工作压强

1引言

在聚变等离子体物理研究中，电子密度测量异常重要。等离子体电子密度可通过测量光在等离子体中传播的折射率得到。综合考虑电磁波传输和机械振动等影响，远红外激光[1,2]波长最适合等离子体电子密度测量，目前已成为高温等离子体电子密度诊断和电流密度时空分布的常规方法之一。EAST装置是中国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置，旨在近堆芯的高参数条件下研究等离子体的稳态和先进运行，深入探索实现聚变能源的工程、物理问题。2014年EAST装置升级，加热功率超过20MW，因此长脉冲高参数运行将成为EAST装置的主要研究方向，传统的HCN激光器[3](波长为337μm)已无法满足高密度需求，等离子体物理研究所研制成功了DCN激光器[4](波长195μm)，并将用于EAST激光干涉仪[5]。本文介绍激光器优化过程中获得的一系列实验结果，即通过实验系统研究DCN激光器的输出功率随气体配比和压强的变化，并调节相关参数达到对激光器输出功率的优化，为EAST远红外干涉仪测量得到准确的密度参数奠定基础。

2波导远红外DCN激光器的工作原理

EAST装置上的远红外DCN激光器采用直流辉光放电式的激励方式。在所有用直流辉光放电激励的激光器中，相应的DCN激光器的输出功率是最大的[6]。对于连续波放电的DCN激光器，DCN分子光谱在200μm常见的有4条谱线，分别为190.01、194.70、189.95和194.76μm。其中194.70μm输出功率最大[7]，因此在实际操作中，需要尽量调制出这一波长的激光使用。DCN分子气体激光器是一种振转跃迁激光器，其能级跃迁是同一电子态的两个振动态的转动能级之间的跃迁[8]。DCN分子是非对称性分子，其原子在空间排序是直线状的，这种排序是DCN分子有两个拉伸振动态和一个弯曲振动态，其转动特征由归一化角动量子数描述[9]。DCN分子由辉光放电时由CD4、N2之间的化学反应生成。EAST装置的DCN激光器工作气体是N2、CD4、D2和He的混合气体，其中D2和He为辅助气体，能使放电稳定。

3DCN激光器的结构及改进设计

已经研制成功的DCN气体激光器如图1所示。这是一台轴向流动式的激光器，气流方向、电流方向和光轴方向在同一条轴线上，工作气体从放电管一端连续输入，在另一端由真空泵抽走。由于工作气体不断更换，工作时放电管内气体温度不会升高，杂质气体也可以及时排出，因而激光器能长时间稳定工作。在气体放电过程中，被电场加速的正离子轰击阴极，引起阴极的溅射。通常用于远红外气体激光器中的阴极材料钽因为溅射率较高，在DCN激光器中寿命减短。因此，为了降低溅射，DCN激光器采用了六硼化镧(LaB6)阴极[10,11]，并且在结构上加以改进。LaB6是蓝紫色硼化物陶瓷产品，是很好的热电子发射材料[12]，可以在可拆卸的真空系统中使用，耐离子轰击，蒸发率低，抗溅射，寿命更长。它的基本性能为：熔点约2715℃、电子逸出功4.5991019J、平均发射电流密度约为8Acm2、使用温度约1500℃、抗中毒性、可反复暴露大气使用、伏安特性良好、电阻率0.15μΩm、理论密度4.721cm3。LaB6的发射机理尚未定论，一种解释是因为La在LaB6表面形成薄膜，使逸出功率低；另一说是LaB6本身就是逸出功率低的物质。目前EAST装置上使用的激光器阴极LaB6的化学成分为LaB699.5%、B≥29.0%、Si≤0.01%、Fe≤0.06%、Ca≤0.03%、Cu≤0.02%、W≤0.02%、Co≤0.02%。最初实验中采用发射面积较大的LaB6中空阴极，半间热式结构。LaB6中空阴极30.3mm，壁厚3mm，通过石墨套环和钨铜支撑棒固定在水冷阴极底座上连接电极，钼棒加热体接在石墨套环上从而与电极连接。LaB6与钼棒无接触以避免发生化学反应。石墨与LaB6不发生化学反应，只起到电连接和热屏蔽的作用。激光器电源接通后，首先点亮钼棒，钼棒是主要的电子发射体，随着放电电流的增大，钼棒温度升高，逐渐加热LaB6到1400K以上时，LaB6的热电子电流发射密度远高于钼棒，成为主要的发射体。在实验中发现：(1)在安装了LaB6阴极开始放电的一天左右时间和电流大于0.8kA的条件下，激光器会出现对石墨套环和钨铜支撑棒的打火，使激光器工作不稳定；(2)加热体钼棒使用一段时间后，由于蒸发和长时间离子轰击后发生断裂，严重影响了整个阴极的工作寿命。基于上述问题，对LaB6的结构做了关键的改进，如图2所示。改进之处为：(1)从1100~3000K，同温度下钽的蒸发率一般比钼低2~6个数量级，且钽比钼更耐离子轰击，溅射率更低，故利用钽棒代替钼棒作为加热体，克服了加热体寿命对整个阴极的寿命限制；(2)缩小石墨的大小，仅保持其电连接的作用；(3)用钽筒加氮化硼外罩做热屏蔽层，使用陶瓷和氮化硼材料将石墨、金属支撑杆绝缘，避免了石墨支撑金属棒打火的现象；(4)考虑到钼棒断裂的部位对钽棒的形状做了改进。采用改进后LaB6阴极后，阴极寿命从之前的1个月延长至3个月以上，明显提高了DCN激光器的稳定性。

4DCN激光器的输出特性

DCN激光器通常使用的工作物质是N2、CD4与He的混合气体，CD4和N2之间化学反应生成DCN分子，He作为辅助气体，能使放电稳定。但是当激光器运行时间超过20h，且放电管温度低于155℃时，激光管内壁出现棕褐色沉积物，同时激光器输出功率随附着物增加而急剧下降。虽有文献说明，只要管壁温度超过140℃，激光管内壁不会出现沉积物，实际运行中，随时间增加，仍有沉积物生成。常规办法是在高温(140℃)下转动管壁或者水蒸气放电清洗管壁，但无法满足EAST实验连续运行的需求。氦气虽然与合成DCN无关，但是作为稳定气体，可以稳定放电，输出功率明显改善。但是实验过程中发现，在氦气条件下，管壁会产生棕色沉积物，连续运行几十小时后必须开腔清洗，无法满足连续运行的需要[13]。通过实验，发现加入D2可以很好地清除棕色沉积物。因此，DCN激光器使用了He、CD4、D2和N2这4种气体作为工作气体。为了优化激光器功率输出，在之前的工作基础上，通过实验系统研究了工作气体中各种气体配比和总压强变化对DCN激光器输出功率的影响。本文中DCN激光器输出功率测量方法是在激光器阳极出口处放置一台调制频率为50Hz的低频斩波器，激光器输出激光经过光路聚焦后利用热释电低频探头测量。鉴于目前没有经过功率仪绝对定标，本文中测量的激光功率均为相对值。

4.1LaB6阴极情况下对气体配比的优化按照文献上的配比N2:CD4:D2:He=3:3:3:2时，DCN激光器有最大的功率输出。研制的DCN激光器工作气体配比以此为基础，获得稳定的DCN激光功率输出(当通过激光器一段的螺旋测微器调节反射镜的水平位移从而调节腔长时，可以观察输出功率随腔长的变化，并判断激光器有无功率输出)，然后利用流量控制计改变气体流量来改变单个气体在四种气体中的比例，最终获得激光器输出功率与气体配比之间的关系。取每次配比所调出的最大值后比较激光输出功率，最终找到能达到最大输出功率的放电参数。在He:CD4:D2=2:3:3比例不变时，改变N2的比例，发现随着N2比例的加大，激光器输出功率变化明显，如图3所示。实验同时发现在4种气体比例为He:CD4:D2:N2=2:3:3:3.7时，输出功率达到最大值。但是，当N2/CD4比值大于3时，DCN激光器放电不稳定，输出状态在两种模式间切换即正常放电状态和无序放电状态，一般无序放电状态下输出功率会低于正常放电状态的30%。当He:CD4:N2=2:3:3比例不变时，改变D2比例，发现在He:CD4:D2:N2=2:3:5:3时，输出功率达到最大值，结果如图4所示。在改变D2得出最佳比例值的基础上，改变He的比例，即在CD4:D2:N2=3:5:3时，改变He比例，得出He:CD4:D2:N2=2:3:5:3时，输出功率达到最大值1600，如图5所示。从图5中可以看出，DCN激光器输出功率对氦气比例敏感，氦气比例对输出功率影响非常大。同样，基于改变He比例得出的最佳比例值后改变CD4的比例，即在He:D2:N2=2:5:3时，改变CD4比例，得出He:CD4:D2:N2=2:3:5:3时，输出功率最大，如图6所示。实验过程中，保持激光器电流为0.7A，放电电压为4.5kV，管内压强为40Pa。最终得到在气体比例在He:CD4:D2:N2=2:3:5:3，DCN输出功率达到最大。

4.2压强对输出功率的影响确定了以上最佳气体配比He:CD4:D2:N2=2:3:5:3条件下，通过扫描激光器管内压强并测量激光输出功率，可以获得激光输出功率和管内压强的关系，实验结果如图7所示。实验结果显示，输出信号随气压的变化非常大，在管内压强为31Pa时输出功率达到最大值。

4.3工作电流对压强的影响在已经得到的最佳气体配比下，在激光器稳定工作时改变工作电流的大小来得到电流变化对输出功率的影响，如图8所示。通过测量，发现输出功率开始时变化很小，从0.6A时开始变大，当电流达到1.0A时，输出功率饱和。

5总结

与讨论为了适应EAST装置长脉冲高参数等离子体的运行，研制成功了DCN激光器。DCN激光器采用了LaB6阴极，同时通过一系列系统实验得到了激光器工作气体He、CD4、D2、N2的最佳混合气体配比为2:3:5:3。在最佳气体配比的条件下，通过对气压加倍，发现气压在32Pa时输出功率最大。与此同时，本次在长时间的放电实验中，大功率连续波激光器[14,15]连续工作，并未发现管壁有明显褐色附着物产生，阴极寿命得到了很大的延长。对气体配比和阴极的研究为EAST远红外DCN干涉仪的研制打下了基础。

参考文献：

[5]刘梦昆,高翔.波导DCN激光器输出特性的理论和实验分析[J].中国科学院研究生院学报，2005,22(4):406410.

[8]陈安,徐强,高翔.直流辉光放电激励连续DCN激光器的实验研究[J].激光杂志,2006,27(4):4748.

[9]高翔,刘海庆,揭银先,等.太赫兹连续波DCN激光器的实验研究[J].激光技术,2006,30(1):6469.

[10]胡立群.用于强流离子源的几种阴极[J].真空与低温,1996,2:7377.

[11]刘学悫.阴极电子学(第一版)[M].北京:科学出版社,1980.

[12]王小菊,蒋亚东,林祖伦,等.单晶六硼化镧的制备及主要应用[J].材料导报,2006,(2):1315.

[13]徐军,高翔,揭银先,等.HT-7超导托卡马克中DCN激光器的研制[J].激光与红外,2005,35(4):234236.

作者：魏学朝 沈洁 揭银先 曾龙 刘海庆 单位：中国科学院等离子体物理研究所