專(zhuān)利名稱(chēng)：一種原位分析聚變裝置第一鏡表面雜質(zhì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)診斷領(lǐng)域，特別涉及一種原位分析聚變裝置第一鏡表面雜質(zhì)的方法。
背景技術(shù)：
磁約束聚變裝置運(yùn)行過(guò)程中放電等離子體溫度高達(dá)上億度，并伴隨著極高的熱流輻照和高能粒子流轟擊，這使得常規(guī)接觸式等離子體診斷設(shè)備無(wú)法工作。在現(xiàn)代磁約束核聚變裝置中，光學(xué)診斷技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。光學(xué)診斷技術(shù)一般通過(guò)第一鏡來(lái)直接觀(guān)測(cè)放電等離子體。光學(xué)診斷設(shè)備通常需要擁有較為廣闊的視角，這樣第一鏡不得不安裝在磁約束聚變裝置的真空放電腔室內(nèi)廣角度地暴露給等離子體。在現(xiàn)代磁約束核聚變裝置中，正常運(yùn)行條件下，都會(huì)產(chǎn)生一定量的雜質(zhì)灰塵，并與燃料(氘，氚)相互作用共同沉積在第一鏡表面。這種沉積雜質(zhì)層將會(huì)造成第一鏡光學(xué)性能下降，從而導(dǎo)致診斷工作參數(shù)的失實(shí)，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法工作。太赫茲(Terahertz，THz)波通常指的是頻率處在0.1THz IOTHz之間的電磁波，介于微波和紅外之間。太赫茲波具有比毫米波更短的波長(zhǎng)，這使得太赫茲波成像具有更高的空間分辨率。研究發(fā)現(xiàn)，太赫茲光譜技術(shù)能夠迅速地對(duì)樣品組成的細(xì)微變化做出分析和鑒別，而且太赫茲光譜技術(shù)是一種非接觸測(cè)量技術(shù)，使它能夠?qū)Φ谝荤R表面的塵埃雜質(zhì)層的理化指標(biāo)實(shí)現(xiàn)原位，在線(xiàn)分析研究。這可以在一定范圍內(nèi)糾正由于第一鏡光學(xué)參數(shù)下降所產(chǎn)生的測(cè)量誤差，并對(duì)于第一鏡激光清洗工作具有指導(dǎo)意義，對(duì)于整個(gè)光學(xué)診斷技術(shù)的穩(wěn)定運(yùn)行十分重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)問(wèn)題，提供一種原位分析聚變裝置第一鏡表面雜質(zhì)的方法，能夠原位、在線(xiàn)、實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)第一鏡表面塵埃雜質(zhì)的沉積情況，對(duì)研究雜質(zhì)灰塵，燃料滯留等物理問(wèn)題有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:提供了一種原位分析聚變裝置第一鏡表面雜質(zhì)的方法，具體包括以下步驟:
步驟100:測(cè)量并記錄原始第一鏡5的太赫茲時(shí)域波譜，以此作為參考太赫茲時(shí)域譜；步驟200:經(jīng)過(guò)磁約束聚變裝置3運(yùn)行一段時(shí)間后，在第一鏡表面沉積一層致密的雜質(zhì)灰塵，在與步驟100相同條件下測(cè)量載有雜質(zhì)灰塵的第一鏡表面反射太赫茲時(shí)域波譜；步驟300:分析系統(tǒng)將測(cè)得的參考太赫茲時(shí)域譜和載有雜質(zhì)灰塵信息的太赫茲時(shí)域譜在有效頻域內(nèi)分別進(jìn)行傅里葉變換得到參考信號(hào)頻域譜Fmimff (ω)和載有雜質(zhì)灰塵信息的太赫茲頻域譜F dust ( ω )；
步驟400:將載有雜質(zhì)灰塵信息的太赫茲頻域譜F dust ( ω )除以參考信號(hào)頻域譜Fmimff(ω)，得到磁約束聚變裝置3運(yùn)行過(guò)后沉積在第一鏡表面灰塵雜質(zhì)層的相對(duì)反射率譜；步驟500:分析系統(tǒng)通過(guò)分析相對(duì)反射率譜，提取出吸收峰的信息，并與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中所有物質(zhì)的太赫茲吸收峰相比較。由于太赫茲特征吸收峰往往對(duì)應(yīng)著某些極性分子的振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，分析系統(tǒng)將相對(duì)反射率譜的波形，吸收峰的位置信息，與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中已知材料的太赫茲特征吸收峰比對(duì)，如果測(cè)到反射率譜中某個(gè)或某幾個(gè)譜峰都與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中某種物質(zhì)的太赫茲吸收峰位置相一致，則證明該測(cè)量區(qū)域含有這種物質(zhì)。根據(jù)譜峰的強(qiáng)度值，可以半定量的給出該物質(zhì)的含量。步驟600:通過(guò)掃描的方式對(duì)第一鏡5表面沉積雜質(zhì)的成分進(jìn)行二維成像；完成高靈敏度、原位、無(wú)損、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)磁約束聚變裝置第一鏡表面雜質(zhì)灰塵沉積過(guò)程的任務(wù)。有益效果:本發(fā)明能夠在磁約束聚變裝置運(yùn)行過(guò)程中連續(xù)監(jiān)測(cè)灰塵沉積物理過(guò)程，分布特點(diǎn)等熱點(diǎn)問(wèn)題，有助于理解磁約束聚變裝置運(yùn)行過(guò)程中雜質(zhì)灰塵沉積，氘氚燃料滯留等PSI問(wèn)題；本發(fā)明是一種無(wú)損檢測(cè)方法，可以有效地檢測(cè)沉積雜質(zhì)的物理化學(xué)信息；由于太赫茲波在核聚變裝置真空腔室內(nèi)傳播過(guò)程損耗小，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離原位在線(xiàn)診斷，信噪比較高，穩(wěn)定性好；依據(jù)本發(fā)明，可以開(kāi)發(fā)出小型，高效，直觀(guān)的第一鏡表面檢測(cè)設(shè)備。


圖1為基于反射式太赫茲光譜第一鏡表面雜質(zhì)分析裝置的示意圖。圖2為磁約束聚變裝置運(yùn)行一年后第一鏡實(shí)物照片。圖3為本發(fā)明一種原位分析聚變裝置第一鏡表面雜質(zhì)的方法流程框圖。附圖標(biāo)識(shí):1_計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，2-脈沖寬帶太赫茲波發(fā)射模塊，3-磁約束聚變裝置，4-太赫茲入射窗口，5-第一鏡，6-固定支架，7-太赫茲接收接收模塊，8-第一拋面鏡，9-第二拋面鏡，10-第三拋面鏡，11-第四拋面鏡，12-三維掃描系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明一種原位分析聚變裝置第一鏡表面雜質(zhì)的方法，具體包括以下步驟:
步驟100:測(cè)量并記錄原始第一鏡5的太赫茲時(shí)域波譜，以此作為參考太赫茲時(shí)域譜； 步驟200:經(jīng)過(guò)磁約束聚變裝置3運(yùn)行一段時(shí)間后，在第一鏡表面沉積一層致密的雜質(zhì)
灰塵，在與步驟100相同條件下測(cè)量載有雜質(zhì)灰塵的第一鏡表面反射太赫茲時(shí)域波譜；步驟300:分析系統(tǒng)將測(cè)得的參考太赫茲時(shí)域譜和載有雜質(zhì)灰塵信息的太赫茲時(shí)域譜在有效頻域內(nèi)分別進(jìn)行傅里葉變換得到參考信號(hào)頻域譜Fmimff (ω)和載有雜質(zhì)灰塵信息的太赫茲頻域譜F dust ( ω )；
步驟400:將載有雜質(zhì)灰塵信息的太赫茲頻域譜F dust ( ω )除以參考信號(hào)頻域譜Fmimff(ω)，得到磁約束聚變裝置3運(yùn)行過(guò)后沉積在第一鏡表面灰塵雜質(zhì)層的相對(duì)反射率譜；步驟500:分析系統(tǒng)通過(guò)分析相對(duì)反射率譜，提取出吸收峰的信息，并與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中所有物質(zhì)的太赫茲吸收峰相比較。由于太赫茲特征吸收峰往往對(duì)應(yīng)著某些極性分子的振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，分析系統(tǒng)將相對(duì)反射率譜的波形，吸收峰的位置信息，與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中已知材料的太赫茲特征吸收峰比對(duì)，如果測(cè)到反射率譜中某個(gè)或某幾個(gè)譜峰都與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中某種物質(zhì)的太赫茲吸收峰位置相一致，則證明該測(cè)量區(qū)域含有這種物質(zhì)。根據(jù)譜峰的強(qiáng)度值，可以半定量的給出該物質(zhì)的含量。步驟600:通過(guò)掃描的方式對(duì)第一鏡5表面沉積雜質(zhì)的成分進(jìn)行二維成像；完成高靈敏度、原位、無(wú)損、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)磁約束聚變裝置第一鏡表面雜質(zhì)灰塵沉積過(guò)程的任務(wù)。參照?qǐng)D1，在本實(shí)施例中，首先完成第一鏡5初始鏡面的太赫茲掃描成像任務(wù)，記錄下原始第一鏡各個(gè)位置的太赫茲反射譜數(shù)據(jù)。掃描過(guò)程詳述如下:
計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)I控制脈沖寬帶太赫茲波發(fā)射模塊2產(chǎn)生脈沖寬帶太赫茲波。太赫茲波經(jīng)過(guò)第一拋面鏡8、第二拋面鏡9調(diào)整后，經(jīng)安裝在磁約束聚變裝置腔室3上的太赫茲入射窗口 4聚焦在第一鏡5的表面。太赫茲入射窗口 4起到透射太赫茲波并密封裝置維持裝置工作氣壓的作用，太赫茲入射窗口 4對(duì)太赫茲波高透過(guò)率的材料。經(jīng)第一鏡5表面反射的太赫茲波攜帶了聚焦斑點(diǎn)處第一鏡表面信息，反射太赫茲波經(jīng)太赫茲入射窗口 4入射到第三拋面鏡10上，經(jīng)第三拋面鏡10、第四拋面鏡11調(diào)整后，準(zhǔn)直聚焦到太赫茲波接收模塊7的探測(cè)晶體上，然后記錄的經(jīng)第一鏡5表面反射的太赫茲時(shí)域譜fmi OT (t)。太赫茲波接收模塊7將第一鏡5測(cè)量位置信息(坐標(biāo):x，y)和(t)通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)傳輸給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)1，分析并保存。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)I的軟件系統(tǒng)自動(dòng)將太赫茲時(shí)域(t)譜進(jìn)行傅里葉變換，得到第一鏡5測(cè)量位置所對(duì)應(yīng)的太赫茲頻域譜Fmimff (ω)。完成該點(diǎn)的測(cè)量后，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)I控制空間三維掃描系統(tǒng)12帶動(dòng)脈沖寬帶太赫茲波發(fā)射模塊2、太赫茲接收接收模塊7、第一拋面鏡8、第二拋面鏡9、第三拋面鏡10及第四拋面鏡11共同移動(dòng)，移動(dòng)到新的測(cè)量位置，采集該位置太赫茲反射時(shí)域譜數(shù)據(jù)。固定支架6將脈沖寬帶太赫茲波發(fā)射模塊2、太赫茲接收接收模塊7和第一拋面鏡8、第二拋面鏡9、第三拋面鏡10及第四拋面鏡11封裝在一起，并安裝在三維掃描系統(tǒng)12上，確保整個(gè)系統(tǒng)的空間移動(dòng)不會(huì)干擾測(cè)量的準(zhǔn)確度。對(duì)于非平面式反射鏡的測(cè)量，三維掃描系統(tǒng)12依據(jù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)I的指令在平行于第一鏡5表面的平面內(nèi)精確移動(dòng)，確保在掃描過(guò)程中脈沖寬帶太赫茲波發(fā)射模塊2的輸出端、太赫茲接收接收模塊7的接收端與第一鏡5之間的太赫茲傳播距離保持不變，保障整個(gè)掃描過(guò)程不受鏡面形貌的影響。參照?qǐng)D2，磁約束聚變裝置運(yùn)行一段時(shí)間后，由于等離子與壁材料相互作用，會(huì)有大量雜質(zhì)灰塵產(chǎn)生，這些雜質(zhì)灰塵會(huì)與氘氚燃料相互反應(yīng)沉積在第一鏡表面，形成一層致密的雜質(zhì)沉積層。此時(shí)重復(fù) 第一鏡5表面太赫茲掃描任務(wù),得到受污染第一鏡5表面的所有位置的太赫茲頻域譜Fdust (ω)。Fdust ( ω )載有雜質(zhì)灰塵信息，將Fdust ( ω )除以Fmimr(ω)便得到了相對(duì)反射率譜F (ω)。通過(guò)分析F ( ω )就可以獲得第一鏡表面雜質(zhì)的成分信息。由于雜質(zhì)沉積層中包含了大量的極性分子，這些極性分子的振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)正好處于太赫茲頻段，就使得相對(duì)反射率譜中特定頻率處出現(xiàn)很強(qiáng)的吸收峰，根據(jù)反射式太赫茲光譜線(xiàn)形和譜峰等信息，與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)I中數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)相比對(duì)，很容易確定沉積物的成分結(jié)構(gòu)信息(所述數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)包含了所有磁約束聚變裝置所產(chǎn)生灰塵雜質(zhì)的太赫茲反射譜信息)。這些極性分子信息對(duì)于理解聚變裝置PSI過(guò)程又是十分必要的，所以反射式太赫茲光譜技術(shù)在聚變裝置中雜質(zhì)灰塵的監(jiān)測(cè)工作中有著廣闊的應(yīng)用前景。以上內(nèi)容是結(jié)合優(yōu)選技術(shù)方案對(duì)本發(fā)明所做的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定發(fā)明的具體實(shí)施僅限于這些說(shuō)明。對(duì)本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思的前提下，還可以做出簡(jiǎn)單的推演及替換，都應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種原位分析聚變裝置第一鏡表面雜質(zhì)的方法，具體包括以下步驟: 步驟100:測(cè)量并記錄原始第一鏡(5)的太赫茲時(shí)域波譜，以此作為參考太赫茲時(shí)域譜； 步驟200:經(jīng)過(guò)磁約束聚變裝置(3)運(yùn)行一段時(shí)間后，在第一鏡(5)表面沉積一層致密的雜質(zhì)灰塵，在與步驟100相同條件下測(cè)量載有雜質(zhì)灰塵的第一鏡表面反射太赫茲時(shí)域波譜； 步驟300:分析系統(tǒng)將測(cè)得的參考太赫茲時(shí)域譜和載有雜質(zhì)灰塵信息的太赫茲時(shí)域譜在有效頻域內(nèi)分別進(jìn)行傅里葉變換得到參考信號(hào)頻域譜Fmimtt (ω)和載有雜質(zhì)灰塵信息的太赫茲頻域譜F dust ( ω )； 步驟400:將載有雜質(zhì)灰塵信息的太赫茲頻域譜？ dust (ω)除以參考信號(hào)頻域譜 ，得到磁約束聚變裝置(3)運(yùn)行過(guò)后沉積在第一鏡表面灰塵雜質(zhì)層的相對(duì)反射率譜； 步驟500:分析系統(tǒng)通過(guò)分析相對(duì)反射率譜，提取出吸收峰的信息，并與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中所有物質(zhì)的太赫茲吸收峰相比較；由于太赫茲特征吸收峰往往對(duì)應(yīng)著某些極性分子的振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，分析系統(tǒng)將相對(duì)反射率譜的波形，吸收峰的位置信息，與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中已知材料的太赫茲特征吸收峰比對(duì)，當(dāng)被測(cè)材料的吸收峰與數(shù)據(jù)庫(kù)中某種物質(zhì)的特征吸收峰重合，就證明第一境表面雜質(zhì)灰塵中含有該物質(zhì)；結(jié)合峰值強(qiáng)度信息半定量給出物質(zhì)的含量； 步驟600:通過(guò)掃描的方式對(duì)第一鏡(5)表面沉積雜質(zhì)的成分進(jìn)行二維成像；完成高靈敏度、原位、無(wú)損、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)磁約束聚變裝置第一鏡表面雜質(zhì)灰塵沉積過(guò)程的任務(wù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及光學(xué)診斷領(lǐng)域，公開(kāi)了一種原位分析聚變裝置第一鏡表面雜質(zhì)的方法，首先測(cè)量并記錄原始第一鏡的太赫茲時(shí)域波譜，然后測(cè)量磁約束聚變裝置運(yùn)行一段時(shí)間后載有雜質(zhì)灰塵的第一鏡表面反射太赫茲時(shí)域波譜；將兩者在有效頻域內(nèi)分別進(jìn)行傅里葉變換，并進(jìn)一步得到聚變裝置運(yùn)行過(guò)后沉積在第一鏡表面灰塵雜質(zhì)層的相對(duì)反射率譜，將其與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中所有物質(zhì)的太赫茲吸收峰相比較；如果數(shù)據(jù)庫(kù)中某種物質(zhì)的特征吸收峰重合，就證明第一境表面雜質(zhì)灰塵中含有該物質(zhì)。本發(fā)明是一種無(wú)損檢測(cè)方法，可以有效地檢測(cè)沉積雜質(zhì)的物理化學(xué)信息；由于太赫茲波在聚等離子體及真空腔室內(nèi)傳播過(guò)程損耗極小，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離原位在線(xiàn)診斷，信噪比較高，穩(wěn)定性好；依據(jù)本發(fā)明，可以開(kāi)發(fā)出小型，高效，直觀(guān)的第一鏡表面檢測(cè)設(shè)備。
文檔編號(hào)G01N21/35GK103105376SQ20131002789
公開(kāi)日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2013年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月25日
發(fā)明者海然, 張辰飛, 信裕, 丁洪斌 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)