用高灵敏度激光干涉仪测量Z-pinch喷气负载质量线密度

　　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。