利用潘寧放電區(qū)分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學(xué)質(zhì)譜計(jì)診斷技術(shù)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用潘寧放電區(qū)分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學(xué)質(zhì)譜計(jì)診斷技術(shù)，利用D2和He放電產(chǎn)生的低溫等離子體發(fā)射光譜的特征光譜He-I和D-α波長迥異，將待測氣體D2和He引入電離室，安裝在電離室一側(cè)的潘寧放電系統(tǒng)電離該待測氣體產(chǎn)生低溫等離子體，隨后分析該等離子體產(chǎn)生的He-I譜線和D-α光譜，進(jìn)而測量出兩種氣體（He和D2）的絕對含量，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測托卡馬克中He和D2演化的診斷技術(shù)，從而解決了由于He和D2分子質(zhì)量數(shù)接近（He：4.003，D2：4.028）導(dǎo)致商業(yè)質(zhì)譜計(jì)無法區(qū)分的難題，該診斷技術(shù)為ITER以及將來DEMO上可能的原位測量He/D2提供了直接的工程和物理經(jīng)驗(yàn)積累。
【專利說明】利用潘寧放電區(qū)分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學(xué)質(zhì)譜計(jì)診斷技術(shù)
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及聚變反應(yīng)堆偏濾器內(nèi)中性氣體測量領(lǐng)域，具體是利用潘寧放電產(chǎn)生的低溫等離子體中氦氣和氘氣放電的特征波長不同，通過光纖、透鏡組、濾光片等組合，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的定量測量氦氣以及氘氣分壓的一種技術(shù)手段。
【背景技術(shù)】:
[0002]在托卡馬克聚變反應(yīng)中無論D-D還是D-T，其部分能量都是以a粒子(經(jīng)過中性化后成為氦氣)形式釋放出來的。為了防止反應(yīng)產(chǎn)物(He)逐步稀釋燃料并最終導(dǎo)致等離子體熄滅，下一代熱核聚變裝置(ITER)中必須以盡可能快的速度將反應(yīng)生成的He抽出等離子體(He在等離子體中含量必須小于10%，否則由于燃料氣體的稀釋將熄滅等離子體)。ITER最新數(shù)據(jù)模擬顯示必須在7~15倍的能量約束時間內(nèi)將新產(chǎn)生的He抽出等離子體，否則將無法維持運(yùn)行。從等離子體中心向外部排出反應(yīng)產(chǎn)物a粒子(He)的速度(He清除率)將決定了等離子體放電長度，所以對于任何一個聚變裝置來說He清除率的研究都是一個重要的基本課題。但是由于He(分子量:4.003)與聚變反應(yīng)的燃料氣體D2(分子量:4.028)的分子量差別微乎其微，所以普通質(zhì)譜計(jì)根本無法區(qū)分。有一種高頻回旋質(zhì)譜儀可以分辨抱和仏，但是它無法運(yùn)行在復(fù)雜的電磁場環(huán)境下而且只能工作在10_4Pa以下的真空環(huán)境中。而托卡馬克的偏濾器存在數(shù)特斯拉(T)量級的強(qiáng)磁場，等離子體運(yùn)行時偏濾器的真空正常情況下即可上升到Pa量級等等，這些條件限制均導(dǎo)致目前商業(yè)質(zhì)譜計(jì)無法在托卡馬克中應(yīng)用于監(jiān)測氦氘分量。由于再循環(huán)導(dǎo)致He從第一壁釋放，而且又缺乏直接測量He分壓的診斷，這就使得無法得到He灰清除率數(shù)據(jù)。
[0003]雖然He和D2的質(zhì)量數(shù)幾乎相同，但是在可見光范圍內(nèi)的特征譜線(He_I: 5875A，D-a:6563A)差別明顯。潘寧放電一方面可以激發(fā)中性氣體在本地產(chǎn)生低溫離子體以發(fā)射對應(yīng)的特征譜線，另一方面潘寧放電受磁場影響小而且在很寬的真空范圍內(nèi)(<5E-2Pa，結(jié)合差分系統(tǒng)可以到幾十Pa甚至上百Pa)可以產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體，這樣就為利用主動激發(fā)的潘寧放電實(shí)現(xiàn)區(qū)分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學(xué)質(zhì)譜計(jì)診斷技術(shù)的研究提供了必要的理論基礎(chǔ)。一旦該診斷系統(tǒng)搭建并正常運(yùn)行將可以直接測量出He的分壓，結(jié)合已有的常規(guī)診斷就可以開展托卡馬克上He灰清除率、粒子輸運(yùn)、壁滯留等相關(guān)偏濾器物理研究。
[0004]在EAST托卡馬克裝置上開發(fā)一套利用主動激發(fā)的潘寧放電實(shí)現(xiàn)區(qū)分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學(xué)質(zhì)譜計(jì)診斷并開展相關(guān)偏濾器物理研究，將有助于進(jìn)一步優(yōu)化EAST偏濾器的He灰排出以及理解粒子輸運(yùn)等問題，這無論對EAST還是對未來聚變裝置ITER來說都非常重要，并具有實(shí)際指導(dǎo)意義。 [0005]有效的描述ITER偏濾器對粒子控制水平依賴于對各種排出氣體成份演化過程的監(jiān)測，包括燃料氣體(H/D/T)以及反應(yīng)產(chǎn)生的He。普通商業(yè)質(zhì)譜計(jì)無法分辨He和D2，而高速的回旋質(zhì)譜計(jì)又受制于ITER的放電環(huán)境(放電環(huán)境包括強(qiáng)磁場~5T以及復(fù)雜的電磁輻射)無法使用，并且他們有一個共同問題即響應(yīng)時間長。此外、商業(yè)質(zhì)譜計(jì)無法對偏濾器進(jìn)行原位測量(考慮到提高測量的響應(yīng)時間，一種方法是將質(zhì)譜計(jì)安裝在偏濾器下面進(jìn)行原位測量)。而利用主動激發(fā)的潘寧放電實(shí)現(xiàn)區(qū)分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學(xué)質(zhì)譜計(jì)診斷技術(shù)是一種通過在本地產(chǎn)生等離子體去激發(fā)偏濾器區(qū)域的中性氣體發(fā)光的光學(xué)診斷系統(tǒng)，對于中性氣體中我們感興趣的氣體成份可以通過干涉濾光片和光電倍增管組合進(jìn)行測量其強(qiáng)度進(jìn)而反演出該氣體壓強(qiáng)。利用主動激發(fā)的潘寧放電實(shí)現(xiàn)區(qū)分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學(xué)質(zhì)譜計(jì)診斷技術(shù)已經(jīng)被在一些國外托卡馬克上用來測量原料氣體D 2中H e, N e, A r等氣體成份的濃度了。
[0006]目前ITER在偏濾器區(qū)域的診斷建設(shè)計(jì)劃里面沒有包括任何類似類型的診斷，其離裝置最近的普通質(zhì)譜儀(用來測量分壓的通用質(zhì)譜儀)是在裝置下面大于10米的地方通過一個管道來對排出氣體取樣，因此ITER目前無法得到He分壓并且響應(yīng)時間較長(秒量級)。在TEXT0R，ALT-1以及ALT-1I上均已經(jīng)使用了該診斷并發(fā)現(xiàn):He分壓在1E-3到IPa范圍內(nèi)，其特征譜線和對應(yīng)的壓強(qiáng)成線性關(guān)系；He的可測量最小濃度為1% ;系統(tǒng)的時間分辨率是毫秒量級。通過進(jìn)一步的校準(zhǔn)修正，可測量的壓強(qiáng)范圍可以進(jìn)一步拓展和最小濃度都可以進(jìn)一步降低。JET上的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):該系統(tǒng)可以測量的He分壓范圍是1E-3到IE-1Pa ；其可測的最小氣氣比是0.5%。后來在DII1-D, Tore-Supra等主流托卡馬克上也先后開展了相關(guān)的研究并取得了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
[0007]在L 模下的 TEXTOR 和 JT-60 以及 ELM-H 模下的 JT-60U、DII1-D 和 ASDEXU 上，都進(jìn)行了中性束注入He研究偏濾器氦灰排出的模擬實(shí)驗(yàn)。JT-60U上的早期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對于敞開式的偏濾器無論是L模還是ELM-H模氦灰的排出都相當(dāng)容易。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)內(nèi)部輸運(yùn)壘里面的He灰排出相對于勢壘外的要困難一倍以上，JT-60U此時的Pwk接近4。TEXTOR實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其He灰清楚效率約是8 %，其Pwk處于10到30之間。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0008]本發(fā)明的目的是解決聚變反應(yīng)中無論是普通的商業(yè)質(zhì)譜計(jì)還是高級的回旋質(zhì)譜計(jì)，均無法區(qū)分的反應(yīng)燃料氣體(D2)和反應(yīng)產(chǎn)物氣體(He)的問題。利用主動激發(fā)的潘寧放電實(shí)現(xiàn)區(qū)分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學(xué)質(zhì)譜計(jì)診斷技術(shù)，通過主動激發(fā)潘寧放電獲得的低溫等離子體進(jìn)而利用干涉濾光片等一系列光學(xué)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)區(qū)分He和D2，從而快速、經(jīng)濟(jì)、有效的實(shí)現(xiàn)對聚變反應(yīng)中的原料氣體和反應(yīng)產(chǎn)物氣體的區(qū)分。
[0009]一種利用潘寧放電區(qū)分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學(xué)質(zhì)譜計(jì)診斷技術(shù)，包括用于產(chǎn)生等離子體的潘寧放電系統(tǒng)、準(zhǔn)直透鏡組、高透過率光纖、分光鏡、準(zhǔn)直鏡組、窄帶干涉濾光片、聚焦鏡組、光電倍增管、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，其特征在于:利用氘氣(D2)和氦氣(He)放電產(chǎn)生的低溫等離子體發(fā)射特征光譜，He-1和D-α的波長迥異，將待測氣體氘氣(D2)和氦氣(He)引入電離室，安裝在電離室一側(cè)的潘寧放電系統(tǒng)電離該待測氣體產(chǎn)生低溫等離子體，隨后分析該等離子體產(chǎn)生發(fā)射的He-1和D-α光譜，進(jìn)而測量出兩種氣體(He和D2)的絕對含量，具體包括以下步驟:
[0010]I) ,EAST是偏濾器位型托卡馬克裝置，該診斷系統(tǒng)的取樣管道與EAST偏濾器連接并從EAST偏濾器區(qū)域取樣待測氣體輸送到電離室；
[0011]2)、安裝在電離室一側(cè)的潘寧放電系統(tǒng)電離該待測氣體產(chǎn)生低溫等離子體；[0012]3)、電離室對稱的另一側(cè)設(shè)置有玻璃窗口和與之相連的聚焦準(zhǔn)直透鏡組，低溫等離子體發(fā)射光從玻璃窗口射出，被聚焦準(zhǔn)直透鏡組傳輸至光纖，經(jīng)聚焦準(zhǔn)直透鏡組準(zhǔn)直和高透過率光纖耦合得到足夠強(qiáng)的光譜信號，該信號被傳送到遠(yuǎn)離托卡馬克裝置的實(shí)驗(yàn)控制室，所述的實(shí)驗(yàn)控制室是低噪音低干擾環(huán)境的；
[0013]4)、在實(shí)驗(yàn)控制室內(nèi)，利用半透半反膜將將該強(qiáng)的光譜信號進(jìn)行50 % -50 %分光，進(jìn)而獲得兩路光強(qiáng)一致的光譜信號；兩路光譜信號分別經(jīng)過兩組設(shè)置在不同光路上的準(zhǔn)直透鏡組、干涉濾光片、聚焦透鏡組得到兩路特定波長的He-1和D- α光譜信號，He-1和D- α特定波長的光譜信號被光電倍增管PMT接收并轉(zhuǎn)化為電信號傳輸給信號采集系統(tǒng)，得到反應(yīng)光譜信號強(qiáng)度的光譜數(shù)據(jù)；
[0014]5)、借助已知準(zhǔn)確比例的He/D2混合氣體和標(biāo)定后的精確的負(fù)壓規(guī)管對該系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)，具體步驟如下:
[0015]①對一個內(nèi)壁光潔的氣體混合儲氣罐烘烤抽氣，待真空優(yōu)于IX 10_2Pa后再連續(xù)抽氣烘烤10小時；
[0016]②停止烘烤，開啟氣體混合儲氣罐上連接的對氣體種類無選擇性的真空規(guī)管；
[0017]③氣體混合儲氣罐的一側(cè)分別通過減壓閥連接D2和He儲氣罐，另一側(cè)通過微調(diào)閥連接電離室，當(dāng)氣體混合儲氣罐內(nèi)溫度降至室溫時，利用減壓閥向氣體混合儲氣罐里先充入He到氣體混合室氣壓為2 X IO4Pa,隨后充入D2到氣體混合室氣壓為IX IO5Pa,得到He =D2氣壓之比為1:4的混合氣體；
[0018]④將該混合氣體通過微調(diào)閥送入電離室，結(jié)合經(jīng)過詳細(xì)標(biāo)定修正的真空規(guī)管和抽氣機(jī)組控制真空室氣壓為P并利用潘寧放電系統(tǒng)對其電離；
[0019]⑤隨后通過上述診斷技術(shù)測量出He-1譜線和D-α光譜強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上結(jié)合已知總壓P和He/D2比例得出的He和D2的分壓；
[0020]⑥重復(fù)5-①?5-⑤步驟，在5-③中配置不同的He/D2比例。
[0021]⑦通過上述得到數(shù)組He和D2分壓以及對應(yīng)的光譜信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)，經(jīng)過擬合后即可獲得適用于該診斷系統(tǒng)的He和D2分壓與對應(yīng)的光譜強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)公式，托卡馬克實(shí)驗(yàn)過程中通過光譜信號獲得He、D2分壓的診斷技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。
[0022]所述的高透過率光纖是傳輸可見光波段的高透過率光纖，所述的光纖接收端準(zhǔn)直透鏡組的波長范圍是585nm?660nm，所述的兩組設(shè)置在不同光路上的準(zhǔn)直透鏡組、干涉濾光片、聚焦透鏡組投過的中心波長分別是587.5nm和656.3nm，所述的干涉濾光片的帶通是lnm，所述的真空抽氣機(jī)組是601/s的無油低振動泵，分光鏡是50% -50%功率分光鏡。
[0023]本發(fā)明的原理是:
[0024]利用主動激發(fā)的潘寧放電實(shí)現(xiàn)區(qū)分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學(xué)質(zhì)譜計(jì)診斷技術(shù)，一是利用潘寧放電將托卡馬克中關(guān)心的殘余氣體電離獲得低溫等離子體方便進(jìn)一步的研究，二是利用He-1和D-a在等離子體中的特征波長不同，借助于準(zhǔn)直透鏡組、光纖以及干涉濾光片等光學(xué)設(shè)備的幫助實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測He和D2含量的技術(shù)。
[0025]由于SOL層內(nèi)部電子溫度在幾十甚至上百電子伏特m，導(dǎo)致該區(qū)域的譜線被多普勒展寬進(jìn)而相互串?dāng)_，最終導(dǎo)致無法進(jìn)行光譜測量。而潘寧放電和普通的射頻放電一樣所產(chǎn)生的是冷等離子體，其電子能量只有大約5eV。所以各個待測元素的線輻射寬度相對較窄不容易發(fā)生譜線串?dāng)_現(xiàn)象也進(jìn)一步保證了進(jìn)行后續(xù)的光譜分析的可靠穩(wěn)定。[0026]本發(fā)明的有益效果在于:
[0027]本發(fā)明利用He-1和D_a在低溫等離子體中的特征波長不同，區(qū)分普通質(zhì)譜計(jì)無法區(qū)分He和D2兩個分子質(zhì)量數(shù)異常接近(He:4.003, D2:4.028)的聚變原料氣體(D2)和聚變產(chǎn)出氣體(He)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測托卡馬克中He和D2演化的診斷技術(shù)，從而大大降低托卡馬克裝置中監(jiān)測He和D2的技術(shù)難度，可以快速、經(jīng)濟(jì)、有效的實(shí)現(xiàn)對托卡馬克殘余氣體中He和D2的實(shí)時監(jiān)測，同時該診斷技術(shù)為將來ITER上可能的原位測量He/D2提供了直接的工程和物理經(jīng)驗(yàn)積累
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0028]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖；
[0029]圖2是系統(tǒng)標(biāo)定示意圖；
[0030]其中圖1中I為EAST偏濾器，2為中性氣體取樣管道，3為與裝置隔斷閥門；4為高透過率玻璃窗口，5為潘寧放電室，7為聚焦準(zhǔn)直透鏡組，8為共透過率光纖，9為光電倍增管，10為He-1譜線的聚焦透鏡組，11為He-1譜線的窄帶濾光片，12為He-1譜線聚的焦準(zhǔn)直透鏡組，13為50% -50%半透半反膜；
[0031]圖2中I為60bar的高壓高純氦氣儲氣罐，2為60bar的高壓高純氘氣儲氣罐，3為氦氣減壓閥門，4為氘氣減壓閥門，5為高精度電容薄膜規(guī)，6為混合氣體儲氣罐，7為微調(diào)閥門，8為經(jīng)過標(biāo)定的高精度熱陰極規(guī)管，9為潘寧放電室，10為玻璃窗口及相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)，11為高真空抽氣機(jī)組。
【具體實(shí)施方式】:
[0032]如圖1-2所示，一種利用潘寧放電區(qū)分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學(xué)質(zhì)譜計(jì)診斷技術(shù)，利用氘氣(D2)和氦氣(He)放電產(chǎn)生的低溫等離子體發(fā)射光譜的特征波長迥異，將待測氣體氘氣(D2)和氦氣(He)引入電離室，借助潘寧放電系統(tǒng)電離該待測氣體產(chǎn)生低溫等離子體，隨后分析該等離子體產(chǎn)生發(fā)射光譜，進(jìn)而測量出兩種氣體(也和隊(duì))的絕對含量，具體包括以下步驟:
[0033]I)、EAST是偏濾器位型托卡馬克裝置，該診斷系統(tǒng)的取樣管道與EAST偏濾器連接并從EAST偏濾器區(qū)域取樣待測氣體輸送到電離室；
[0034]2)、安裝在電離室一側(cè)的潘寧放電系統(tǒng)電離該待測氣體產(chǎn)生低溫等離子體；
[0035]3)、電離室對稱的另一側(cè)設(shè)置有玻璃窗口和與之相連的聚焦準(zhǔn)直透鏡組，低溫等離子體發(fā)射光從玻璃窗口射出，被聚焦準(zhǔn)直透鏡組傳輸至光纖，經(jīng)聚焦準(zhǔn)直透鏡組準(zhǔn)直和高透過率光纖耦合得到足夠強(qiáng)的光譜信號，該信號被傳送到遠(yuǎn)離托卡馬克裝置的實(shí)驗(yàn)控制室，所述的實(shí)驗(yàn)控制室是低噪音低干擾環(huán)境的；
[0036]4)、在實(shí)驗(yàn)控制室內(nèi)，利用半透半反膜將將該強(qiáng)的光譜信號進(jìn)行50% -50%分光，進(jìn)而獲得兩路光強(qiáng)一致的光譜信號；兩路光譜信號分別經(jīng)過兩組設(shè)置在不同光路上的準(zhǔn)直透鏡組、干涉濾光片、聚焦透鏡組得到兩路特定波長He-1譜線和D- α光譜的光譜信號，He-1和D-α特定波長的光譜信號被光電倍增管PMT接收并轉(zhuǎn)化為電信號傳輸給信號采集系統(tǒng)，得到反應(yīng)光譜信號強(qiáng)度的光譜數(shù)據(jù)；
[0037]5)、借助已知準(zhǔn)確比例的He/D2混合氣體和標(biāo)定后的精確的負(fù)壓規(guī)管對該系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)，具體步驟如下:
[0038]①對一個內(nèi)壁光潔的氣體混合儲氣罐烘烤抽氣，待真空優(yōu)于I X 10_2Pa后再連續(xù)抽氣烘烤10小時；
[0039]②停止烘烤，開啟儲氣罐上連接的對氣體種類無選擇性的真空規(guī)管；
[0040]③氣體混合儲氣罐的一側(cè)分別通過減壓閥連接D2和He儲氣罐，另一側(cè)通過微調(diào)閥連接電離室，當(dāng)氣體混合儲氣罐內(nèi)溫度降至室溫時，利用減壓閥向氣體混合室先充入He到氣體混合室氣壓為2 X IO4Pa,隨后充入D2到氣體混合室氣壓為I X IO5Pa,得到He =D2氣壓之比為1:4的混合氣體；
[0041]④將該混合氣體通過微調(diào)閥送入電離室，結(jié)合經(jīng)過詳細(xì)標(biāo)定修正的真空規(guī)管和抽氣機(jī)組控制真空室氣壓為P并利用潘寧放電系統(tǒng)對其電離；
[0042]⑤隨后通過上述診斷技術(shù)測量出He-1譜線和D-α光譜強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上結(jié)合已知總壓P和He/D2比例得出的He和D2的分壓；
[0043]⑥重復(fù)5-①?5-⑤步驟，在5-③中配置不同的He/D2比例。
[0044]⑦通過上述得到數(shù)組He和D2分壓以及對應(yīng)的光譜信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)，經(jīng)過擬合后即可獲得適用于該診斷系統(tǒng)的He和D2分壓與對應(yīng)的光譜強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)公式，區(qū)分普通商業(yè)質(zhì)譜計(jì)無法區(qū)分He和D2兩個分子質(zhì)量數(shù)異常接近(He:4.003，D2:4.028)的聚變原料氣體(D2)和聚變產(chǎn)出氣體(He)，托卡馬克實(shí)驗(yàn)過程中通過光譜信號獲得He、D2分壓的診斷技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。
[0045]所述的高透過率光纖是傳輸可見光波段的高透過率光纖，所述的光纖接收端準(zhǔn)直透鏡組的波長范圍是585nm?660nm，所述的兩組設(shè)置在不同光路上的準(zhǔn)直透鏡組、干涉濾光片、聚焦透鏡組投過的中心波長分別是587.5nm和656.3nm，所述的干涉濾光片的帶通是lnm，所述的真空抽氣機(jī)組是601/s的無油低振動泵，分光鏡是50% -50%功率分光鏡。
[0046]利用主動激發(fā)的潘寧放電實(shí)現(xiàn)區(qū)分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學(xué)質(zhì)譜計(jì)診斷技術(shù)，通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定發(fā)現(xiàn)在一定真空壓強(qiáng)范圍內(nèi)(IX 10_4Pa?5X 10_2Pa)光強(qiáng)信號與分壓強(qiáng)存在明顯的線性關(guān)系、分辨率達(dá)到7X10_5Pa、暗電流小于ΙΟηΑ、信噪比約86dB。通過更換干涉濾光片以及濾光片前面準(zhǔn)直透鏡組的部分透鏡可以輕易的實(shí)現(xiàn)監(jiān)測其它氣體(如Ne、Ar等)演化的目的，同時該診斷技術(shù)為ITER以及將來DEMO上可能的原位測量He/D2提供了直接的工程和物理經(jīng)驗(yàn)積累。。
【權(quán)利要求】
1.一種利用潘寧放電區(qū)分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學(xué)質(zhì)譜計(jì)診斷技術(shù)，其特征在于:利用氘氣(D2)和氦氣(He)放電產(chǎn)生的低溫等離子體所發(fā)射光譜的特征光譜He-1和D-α波長迥異進(jìn)行區(qū)分仏和抱的診斷技術(shù)；將待測氣體(D2和He的混合氣體)引入電離室，安裝在電離室一側(cè)的潘寧放電系統(tǒng)電離該待測的中性氣體產(chǎn)生低溫等離子體，隨后分析該等離子體產(chǎn)生的He-1譜線和D-α譜線，進(jìn)而測量出兩種氣體(He和D2)的絕對含量，具體包括以下步驟: 1)、EAST是偏濾器位型托卡馬克裝置，該診斷系統(tǒng)的取樣管道與EAST偏濾器連接并從EAST偏濾器區(qū)域取樣待測氣體輸送到電離室； 2)、安裝在電離室一側(cè)的潘寧放電系統(tǒng)電離該待測氣體產(chǎn)生低溫等離子體； 3)、電離室對稱的另一側(cè)設(shè)置有玻璃窗口和與之相連的聚焦準(zhǔn)直透鏡組，低溫等離子體發(fā)射光從玻璃窗口射出，被聚焦準(zhǔn)直透鏡組傳輸至光纖，經(jīng)聚焦準(zhǔn)直透鏡組準(zhǔn)直和高透過率光纖耦合得到足夠強(qiáng)的光譜信號，該信號被傳送到遠(yuǎn)離托卡馬克裝置的實(shí)驗(yàn)控制室； 4)、在實(shí)驗(yàn)控制室內(nèi)，利用半透半反膜將將該強(qiáng)的光譜信號進(jìn)行50%-50%分光，進(jìn)而獲得兩路光強(qiáng)一致的光譜信號；兩路光譜信號分別經(jīng)過兩組設(shè)置在不同光路上的準(zhǔn)直透鏡組、干涉濾光片、聚焦透鏡組，得到兩路特定波長的He-1和D-α光譜信號，He-1和D-α特定波長的光譜信號被光電倍增管PMT接收并轉(zhuǎn)化為電信號傳輸給信號采集系統(tǒng)，得到反應(yīng)光譜信號強(qiáng)度的光譜數(shù)據(jù)； 5)、借助已知準(zhǔn)確比例的He/D2混合氣體和標(biāo)定后精確的真空規(guī)管對該系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)，具體步驟如下: ①對一個內(nèi)壁光潔的氣體混合儲氣罐烘烤抽氣，待真空優(yōu)于IXKT2Pa后再連續(xù)抽氣烘烤10小時； ②停止烘烤，開啟氣體混合儲氣罐上連接的對氣體種類無選擇性的電容真空規(guī)管； ③氣體混合儲氣罐的一側(cè)分別通過減壓閥連接高純D2(99.9999%)儲氣罐和高純He(99.9999%)儲氣罐，另一側(cè)通過微調(diào)閥連接電離室，當(dāng)氣體混合儲氣罐內(nèi)溫度降至室溫時，利用減壓閥向氣體混合室先充入He到氣體混合室氣壓為2X IO4Pa,隨后充入D2到氣體混合儲氣罐氣壓為IX IO5Pa,得到He =D2氣壓之比為1:4的混合氣體； ④將該混合氣體通過微調(diào)閥送入電離室，結(jié)合經(jīng)過詳細(xì)標(biāo)定修正的真空規(guī)管和抽氣機(jī)組控制真空室氣壓為P并利用潘寧放電系統(tǒng)對其電離； ⑤隨后通過上述診斷技術(shù)測量出He-1譜線和D-α光譜強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上結(jié)合已知總壓P和He/D2比例得出的He和D2的分壓； ⑥重復(fù)5-①~5-⑤步驟，在5-③中配置不同的He/D2比例； ⑦通過上述得到數(shù)組He和D2分壓以及對應(yīng)的光譜信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)，經(jīng)過擬合后即可獲得適用于該診斷系統(tǒng)的He和D2分壓與對應(yīng)的光譜強(qiáng)度之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，托卡馬克實(shí)驗(yàn)過程中通過光譜信號獲得He、D2分壓的診斷技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用潘寧放電區(qū)分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學(xué)質(zhì)譜計(jì)診斷技術(shù)，其特征在于:所述的光纖接收端準(zhǔn)直透鏡組的波長范圍是585nm~660nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用潘寧放電區(qū)分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學(xué)質(zhì)譜計(jì)診斷技術(shù)，其特征在于:所述的兩組設(shè)置在不同光路上的準(zhǔn)直透鏡組、干涉濾光片、聚焦透鏡組透過的光譜中心波長分別是587.5nm和656.3nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用潘寧放電區(qū)分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學(xué)質(zhì)譜計(jì)診斷技術(shù)，其特征在于:所述的干涉濾光片的帶通是lnm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用潘寧放電區(qū)分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學(xué)質(zhì)譜計(jì)診斷技術(shù)， 其特征在于:所述的真空抽氣機(jī)組是601/s的無油低振動泵。
【文檔編號】G01N27/68GK103995047SQ201410108391
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年3月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月22日
【發(fā)明者】王厚銀, 胡建生 申請人:中國科學(xué)院等離子體物理研究所