CN103076287B - 一种采用偏振光检测托卡马克聚变堆第一壁损伤的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用偏振光检测托卡马克聚变堆第一壁损伤的方法。所述的检测系统由光学平台支架、偏振光源、偏振分析仪及检测探头、被检测的第一壁等组成。偏振光源发出的特定波长激光经第一壁表面反射后，由偏振分析仪及检测探头获取反射光圆偏振分量,可实现对第一壁表面材料变化的检测。与常用偏振光检测方法不同，该方法是在布儒斯特角附近，旋转入射光振动面，利用邦加球中反射光斯托克斯矢量轨迹，实现对第一壁反射光圆偏振分量的快速测量。本发明为托卡马克聚变堆第一壁表面损伤提供了一种可行的检测方法。

Description

一种采用偏振光检测托卡马克聚变堆第一壁损伤的方法

技术领域

本发明涉及偏振光检测托卡马克聚变堆第一壁损伤领域，具体涉及利用从第一壁反射光的圆偏振分量，实现对第一壁损伤的检测。

背景技术

第一壁材料损伤是磁约束聚变堆商业运行的关键问题之一。托卡马克聚变堆正常运行时，第一壁除受到高温等离子体发射的高能中子(14MeV)、氦原子(3.5MeV)、光子能量的强辐照作用外，还会受到高能逃逸粒子流的撞击，特别是等离子体放电或等离子体破裂时，会产生大量高能逃逸电子撞击第一壁表面材料，造成严重的局部损伤，从而使部件丧失功能而需要更换。例如ITER规模的实验堆，放电破裂、等离子体熄灭、VDE事件等，破裂时的能量损失包括热猝灭和电流猝灭两个阶段。热猝灭阶段(~1毫秒)，约95%的等离子体内能所产生的高热负荷作用到第一壁上。电流猝灭阶段(几十毫秒)，高达~70%的等离子体电流(~15MA)转化为逃逸电流，部分电子加速至相对论速度，形成能量高达~50MeV逃逸电子打在面向等离子体部件上，且偏滤器位形使逃逸电子能量沉积呈显著局域化，对第一壁造成严重的局部损伤。

此外，来自等离子体芯部的稳态能流、粒子流不仅溅射刻蚀表面原子，而且进入基体的H/He对结构材料也会产生影响，如第一壁钨材料，其表面会发生捕获聚集、长大起泡甚至形成表面纳米丝状结构，降低了表面热导率，增大熔化可能性。因此，聚变堆运行时需要具有在线检测第一壁表面状况的手段，这对聚变堆安全运行具有重要意义。

目前，对第一壁表面损伤进行检测的有效方法大多处在研发阶段，调研情况表明主要有以下几个方面：采用基于原位和高时间分辨率方法研究材料刻蚀、迁移、再沉积机制；采用散斑干涉仪检测材料表面刻蚀形貌；运用激光诱导击穿光谱对共沉积层化学成分变化和H滞留含量的原位监测；利用CdTe半导体探测器和BGO闪烁体诊断系统，探测逃逸电子对第一壁材料产生的硬X射线轫致辐射；利用红外测量与数字图像相关分析的光学应变分布测量方法；利用电磁超声无损检测界面缺陷与第一壁层厚变化。

由于物体反射具有二向性反射特点，因此除了光强、光谱信息外，还可利用反射光偏振信息来检测材料光学性质。利用反射光的偏振度检测识别物体状态是一种常用的方法，在检测领域有广泛的应用。但现有的偏振信息检测方法中，利用反射光中圆偏振分量识别物质状态变化的方法却很少，主要原因：一是反射光中圆偏振分量所占比例小，一般认为对偏振度的影响可忽略不计，二是检测圆偏振分量方法在技术上要求较高，检测困难。圆偏振分量包含有反射物体特性的参量(如物体的电导率、磁导率、介电系数等)，有效检测出反射光的圆偏振分量与其它偏振分量之间关系更有利于检测出材料表面状态。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种偏振光检测托卡马克聚变堆第一壁损伤的方法，为了解决在线检测聚变堆第一壁表面损伤状况问题，实现对第一壁表面材料变化的快速检测。

本发明采用的技术方案为：一种采用偏振光检测托卡马克聚变堆第一壁损伤的方法包括以下步骤：

步骤1:设置线偏振光源。选择可见/近红外波段的激光作为线偏振光源，如632nm、1050nm激光源；要求激光源的光振动面能够作360度旋转调节，也可以通过1/4波片与偏振片的组合实现光振动360度旋转调节；

步骤2:确定第一壁位置，使从线偏振光源的入射光线与第一壁入射角为θ。要求此入射角θ在布儒斯特角θ_b±5°范围（对于一般介质50~60度即可）；

步骤3:确定探头位置，使探头垂直于反射光方向。要求入射到探头感光材料面上的光为第一壁反射光，为避免探头侧壁反射光的影响，可在探头前加光阑透镜组合实现此要求；

步骤4:调节线偏振光源的偏振面，使入射线偏振光振动面旋转360度；

步骤5:记录偏振分析仪检测到的各偏振分量。由于步骤4步骤中入射偏振光旋转了360度，由偏振分析仪检测可得归一化的stockes矢量在邦加球面上形成一封闭的圆形轨迹。改变入射角θ（改变角度范围为1-2度），第一壁的反射光的stockes矢量在邦加球中轨迹也会变化。

步骤6:通过对比上述过程中反射光在邦加球的轨迹与事先已标定的各种第一壁反射光在邦加球中轨迹，可以快速识别第一壁表面材料的变化情况。如果检测出第一壁表面反射光的stockes矢量在邦加球面上轨迹，与邦加球赤道面差异小，反射光的圆偏振分量难以检测，可以返回到步骤2，变换入射角θ，重新检测第一壁的反射光的stockes矢量在邦加球面上的轨迹。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）一般材料表面的反射光中圆偏振分量的比例很小而常被忽略，但这一部分圆偏振分量却包含着材料表面丰富的物理特性信息。本发明由于采用可调节偏振面的线偏振激光源作为入射光源，当入射角在布儒斯特角附近、入射光振动面接近入射面时，入射光的垂直分量能量极小（与平行分量比较），反射光的平行分量与垂直分量的能量相当，反射光的平行与垂直分量产生相位差而导致的椭率最为显著，从而检测出圆偏振分量，由此可以实现一般偏振度检测方法中忽略的圆偏振分量的检测。利用邦加球中stockes矢量的轨迹与标定进行对比，可实现对第一壁表面材料变化的快速检测。

（2）本发明采用圆偏振分量与线偏振分量相结合的方法检测第一壁损伤，具有非接触、准确、快速、简便等特点。

附图说明

图1为光路原理示意图。图中左边是邦加球,邦加球中给出了两种偏振光状态（stockes矢量）S_in（入射光）S_out（出射光）在邦加球中位置，M为穆勒矩阵；图中右边，θ为入射角，1是可调偏振面的激光源，3是第一壁表面材料，2、5分别是调整支架，4、7分别是偏振分析探头与分析仪；

图2为入射角θ＝58°，入射光振动面旋转一周，从第一壁表面反射光stockes矢量在邦加球中的轨迹。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的具体实施方式，以详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，为本发明具体实施的光路原理图。

步骤1 设置线偏振光源1。（线偏振光源1为可见/近红外激光。本实例采用波长为650nm、可调偏振光振动面激光源）线偏振光源1固定在一个可以调整角度的支架2上，如图1所示，使线偏振光源1对准第一壁表面3。

步骤2 调整第一壁位置。使偏振入射光以θ＝58°度左右入射角照在第一壁表面3。

步骤3 确定偏振分析仪探头4的位置。偏振分析仪的探头固定在可调节支架上5，调整探头角度与光阑透镜组合6，使得从第一壁反射光能够垂直落在探头的感光材料面上。

步骤4 调节线偏振光源1，使入射光偏振面旋转360°。

步骤5 利用偏振分析仪7检测并记录从第一壁反射光的偏振信息，在邦加球中显示反射光stockes矢量轨迹，图2中点状的椭圆为入射角θ＝58°时，某种材料反射光的stockes矢量轨迹。

步骤6 标定标准状态的第一壁（未损伤）反射光的stockes矢量轨迹，实验中通过对比标准第一壁stockes矢量轨迹，可快速判断第一壁表面材料变化情况，从而实现对第一壁损伤检测。

步骤7 如某一入射角θ，反射光的stockes矢量轨迹图靠近赤道面，圆偏振分量不明显，可通过调节入射角θ±Δθ（改变角度范围为Δθ为1-2度），然后从步骤1重新检测。

以上虽然描述了本发明的具体实施方法，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明原理和实现的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改（例如，偏振光源可以是可见光、近红外可调激光源或普通可调线偏振光源，旋转振动面也可通过偏振片与波片组合实现），因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (2)

1.一种采用偏振光检测托卡马克聚变堆第一壁损伤的方法，其特征包含以下步骤：

步骤1:设置线偏振光源，要求线偏振光源的光振动面能够作360度旋转调节；

步骤2:确定托卡马克第一壁损伤位置，使从线偏振光源出射的光线与第一壁入射角为50°<θ<60°；

步骤3:调整偏振分析仪探头的位置,通过光阑透镜组合确保反射光垂直入射到探头感光材料面上；

步骤4:调节线偏振光源的振动面方向，使入射线偏振光振动面旋转360度；

步骤5:记录偏振分析仪检测到的各偏振分量，绘出反射光的斯托克斯(stockes)矢量在邦加球中的轨迹图；

步骤6:对比偏振分析仪检测到上述步骤5中反射光在邦加球的轨迹与事先标定的各种第一壁表面材料反射光在邦加球中轨迹，识别第一壁表面材料的变化情况；

步骤7:如果偏振分析仪检测出的第一壁反射光在邦加球中轨迹接近赤道面，反射光的圆偏振分量难以检测，回到步骤2，变换入射角θ，重新检测第一壁的反射光的斯托克斯(stockes)矢量在邦加球面上的轨迹；

所述的步骤1中，在线偏振光源后设置同轴1/4波片，在1/4波片后设置与线偏振光源和波片同轴的可沿轴360度旋转的起偏器。

2.根据权利要求1所述的一种采用偏振光检测托卡马克聚变堆第一壁损伤的方法，其特征在于：所述的步骤1中，线偏振光源选择可见/近红外波段激光。