摘 要: 介绍了采用外差式记录系统和相位跟踪方法建立的高灵敏度(0.2°)迈克尔逊激光干涉系统对Z-pinch喷气负载质量线密度的测量。通过采用充气隔振光学平台和将干涉仪放置到喷气真空室内等隔振方法,有效地消除了机械振动对测量结果的影响,获得了拉瓦尔喷嘴产生的超音速Ar气喷气负载平均质量线密度随时间的变化曲线,为优化喷嘴理论设计程序提供了实验依据。气流稳态的建立时间可以用于精确控制喷气装置电磁阀门的打开时刻,保证喷气Z-pinch实验中脉冲功率装置提供的脉冲电流与喷气负载平顶之间的时间同步。
喷气Z-pinch实验研究采用的气体负载为拉瓦尔喷嘴产生的超音速瞬态气流,气体密度通常为1015~1017cm-3,初始位形和质量线密度直接影响到箍缩后等离子体的密度、温度和X-ray产额[1],是一个重要的物理量,其测量结果用于校验喷嘴理论设计程序,为Z-pinch实验研究提供合适的气体负载质量线密度,让喷气时间与脉冲功率装置脉冲电流相匹配。
目前,用于测量超音速瞬态喷气流场密度分布的方法主要有激光诱导荧光法、压力探测针法、微型快速电离规法和激光干涉等方法[2-10],这些方法都存在一定的不足之处。Z-pinch气体负载密度的测量需要采用微小条纹相移检测法,该方法可以分为被动和主动(外差式)检测两种类型[11-13]。美国海军实验室采用外差检测法对等离子体断路开关中电子密度进行了测量[14],其干涉系统的灵敏度为0.5°(1.4×10-3λ)。由于喷气Z-pinch气体负载建立和维持的时间大致为1 ms,气流位于真空环境中,真空机组的机械振动周期接近1 ms,这种机械振动很难消除,法国[15]和日本[16]在测量Z-pinch气体负载密度时,只好将其作为本底来减除,这样处理对测量结果有较大的影响。美国科学研究实验室和海军实验室[17-18]通过将马赫-曾德激光干涉仪放置到真空室中,有效地消除了机械振动的影响,使干涉系统灵敏度达到10-5λ,很好地完成了对喷气负载密度的测量。由于上两类方法的光路和数据处理都比较复杂,本实验采用外差式记录系统和相位跟踪方法建立了一种不需要复杂光路定措施的高灵敏度干涉系统,通过采用充气隔振光学平台和将迈克尔逊干涉仪放置到喷气真空室内等方法来消除械振动对Z-pinch喷气负载质量线密度测量的影响。
1 测量原理
拉瓦尔喷嘴所产生的超音速气体流场近似为空心圆柱壳体,如图1所示,气流沿负z方向前进,激光束沿负y方向横穿气体壳层。
采用迈克尔逊干涉仪进行测量,激光束经过半反半透镜后分成测量臂和参考臂,测量臂的激光沿y方向来回两次穿过气体壳层,对于折射率为n的气体所引起的相位移动为
式中:K为Gladstone-Dale常数[19];λ为激光波长;积分限|A-B|为激光实际穿过气体的厚度。
线积分密度为
定义气体质量线密度N′(z)为
对不同x进行测量,可以获得N′(z)。
分别用E1,E2和φ1,φ2表示测量臂和参考臂激光的振幅和相位,探测器上测得的干涉信号强度为
若E1≈E2,(4)式可写为
式中:C0为常数;φ1-φ2为探测光与参考光之间的相位差,包含干涉仪的初始相位差φ0和待测物质引起的相位差φe两部分,下面用φ0-φe表示。
(5)式由直流项和交流项两部分组成,对于这种形式的干涉信号,在实际测量中,由于本底信号的存在,直流项会发生改变,由此引起直流项与交流项振幅的不同,此外,由于随机干扰信号的存在,会增加一个随机干扰项I(t),一般表示为
干涉信号如图2所示,周期一般为1 ms左右。
微小相移φe φ0时,(6)式微分得
则信号相移为
当初始相位调整为φ0=(2k+1)π/2时,干涉仪处于最灵敏的位置,将δφe式代入(2)式,得气体线积分密度
因此,测出I2和δI就可以获得气体线积分密度,并对不同x进行测量,可获得(3)式中气体质量线密度N′(z)。本实验采用He-Ne激光,λ=0.632 8×10-4cm,氩气K=0.175 cm3/g,当喷嘴负载质量线密度为50μg/cm时,计算稳态时的平均相移为12.6°(3.5×10-2λ)。为了获得气流稳态建立过程中质量线密度随时间的变化曲线,要求测量系统具有更高的灵敏度;又由于比稳态平均相移量低1个数量级的气体密度对喷气Z-pinch实验影响很小,综合这两方面的因素,喷气实验负载质量线密度测量要求干涉仪的最低灵敏度大致为1·3°。
2 实验装置
实验中将迈克尔逊干涉仪固定在一个平板上并放置到真空喷气室内,喷气装置、激光器和光学元件放置在同一充气光学隔振平台上。测量光路和实验布局如图3所示。
干涉信号经100μm多模光纤传输到电磁屏蔽室后,入射到工作在反向偏压下的PIN光二级管(Hamamatsu公司生产,型号S5973,上升时间30 ns,电容2.4 pF,对632.8 nm激光灵敏度为0.4 A/W)。采用100 kΩ负载电阻,产生的电压信号用0.5 m低电容同轴电缆引入到10G TektroNI453示波器上。控制系统如图4所示,将示波器触发电平设置为φ0=(2k+1)π/2时的幅值,可以简便地实现对初始相位φ0=(2k+1)/2的锁定,其同步输出用来触发20 kV高压脉冲发生器,然后触发三电极气体开关,将电磁阀门打开。
3 实验条件和结果
He-Ne激光器:HN1200D单模放大,功率45 mW,发散角小于0.7 mrad,光斑尺寸1.4 mm;电磁阀门电压2 kV;储气室Ar气压力0.4 MPa;激光束测量位置在z方向距离喷嘴出口10 mm;喷嘴出口内外半径分别为16 mm和18 mm。实验前测得初始干涉条纹的振幅为600 mV,对应的I2为60μA,示波器能够测量的最小δV为1 mV,对应的光电流变化量δI为0.2μA,这套干涉系统能够测量的最小相位移动量为δI/I2≈0.2°,完全能够满足前面计算对干涉仪要求的最低灵敏度1.3°。
通过对同一z截面上(z=10 mm)的三个不同x点(x=-5,0,5 mm)的测量值δI进行平均,获得Ar气负载平均质量线密度随时间的变化曲线,如图5所示。
图5表明当电磁阀电流开始后1.5 ms,在距离喷嘴出口10 mm处开始出现气流,然后气流线性增强,经过0.4 ms的增长过程后,气体流场达到稳定状态,记录到的稳态维持时间为0.5 ms(由于光学元件和光路受到随后电磁阀关闭所产生的振动的影响,干涉仪被干扰,气流密度逐渐减弱的过程无法显示出来)。
4 结 论
采用外差式记录系统和相位跟踪方法(利用示波器对初始相位φ0=(2k+1)π/2的锁定)建立的迈克尔逊激光干涉系统是一种简便有效的新系统。将干涉元件放置到真空室里面,有效地消除了机械振动和空气扰动对测量结果的影响,干涉系统的灵敏度提高到0.2°(5.6×10-4λ)的水平,满足了Z-pinch喷气负载质量线密度测量的要求。实验获得的喷气负载质量线密度随时间变化的特性对喷气Z-pinch实验中研究加速器提供的脉冲电流与喷气负载之间的匹配时间很有价值。由于一次实验只能完成对空间一个点的测量,而不同发次之间很多实验条件的差异(如:气室压力的变化、光路的漂移和初始相位的细小差异等)对实验结果有一定的影响,本实验给出的只是平均测量值。为了获得更加精确的测量结果,下一步实验准备采用功率更高的激光器,利用柱透镜组形成的片状激光束和阵列PIN记录方式来实现在一次喷气实验中对空间不同点的同时测量。
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本文作者：何 安, 杨向东, 邓建军, 李业勋, 李丰平, 姜 巍, 陈 林, 邹 杰
