CN103105368A - 一种分析聚变装置第一镜杂质沉积层厚度及其结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分析聚变装置第一镜杂质沉积层厚度及其结构的方法，本发明是一种无损检测第一镜表面杂质沉积层厚度及结构的方法，可以直观的显示杂质沉积层的成分信息，且样品无需预处理，实用性强。太赫兹波在等离子体及真空环境下传播损耗小，可以实现远距离原位在线诊断。本发明能够在磁约束聚变装置运行过程中原位分析第一镜表面杂质沉积、分布特点，有助于理解磁约束聚变装置运行过程中杂质灰尘沉积，氘氚燃料滞留等PSI问题。
Description
技术领域
本发明涉及光学诊断领域，特别涉及一种分析聚变装置第一镜杂质沉积层厚度及其结构的方法。
背景技术
磁约束聚变装置运行过程中放电等离子体温度高达上亿度，并伴随着极高的热流辐照，高能中子和带点粒子的轰击，这使得聚变堆材料遇到了严重的挑战。在如此严峻的放电环境下，光学等离子体诊断技术得到了广泛应用。光学诊断技术一般通过第一镜来直接观测放电等离子体。光学诊断设备通常需要拥有较为广阔的视角，这样第一镜不得不安装在磁约束聚变装置的真空放电腔室内广角度地暴露给等离子体。在现代磁约束核聚变装置正常运行条件下，由于高温热流和高能粒子流对壁材料的轰击作用，聚变腔室内都会产生一定量的杂质灰尘并与燃料（氘，氚）相互作用共同沉积在第一镜表面。这种杂质沉积过程会造成第一镜光学性能下降，从而导致诊断工作参数的失实，严重时甚至导致整个测量系统无法工作。实现原位在线检测杂质沉积层成分结构，对光学诊断设备结果修正，以及激光去清洗第一镜有着重要意义。
太赫兹（Terahertz, THz）波通常指的是频率处在0.1THz~10THz之间的电磁波，介于微波和红外之间。太赫兹波具有比毫米波更短的波长，这使得太赫兹波成像具有更高的空间分辨率。研究发现，太赫兹光谱技术能够迅速地对样品组成的细微变化做出分析和鉴别，而且太赫兹光谱技术是一种非接触测量技术，使它能够对第一镜表面的尘埃杂质层的理化指标实现原位，在线分析研究。将反射式太赫兹成像技术结合层析重构算法，就可以实现对第一镜表层沉积杂质层内部结构的无损探测，将杂质层内部结构直观显示出来。
发明内容
本发明的目的是为解决上述现有技术中的技术问题，提供一种分析聚变装置第一镜杂质沉积层厚度及其结构的方法，能够无损、原位、在线分析第一镜表面杂质沉积层的结构信息，对监测杂质灰尘分布情况，氘氚燃料滞留等热点问题有着不可比拟的优势。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供了一种分析聚变装置第一镜杂质沉积层厚度的方法，具体包括以下步骤：
步骤100：测量原始第一镜的参考太赫兹时域波谱，以此作为参考太赫兹时域谱；
步骤200：经过磁约束聚变装置运行一段时间后，第一镜表面沉积一层致密的杂质灰尘，与步骤100相同条件下测量载有杂质灰尘的第一镜表面反射太赫兹时域波谱；由于第一镜表面存在一层致密的杂质层，太赫兹波脉冲传播过程中经空气与杂质层之间的界面和杂质层与第一镜表面之间的界面反射，太赫兹波接收器件探测到上述两个界面的回波信号；两回波信号之间的时间差暗含了太赫兹波传播路径的区别；
步骤300：分析系统将测得的参考太赫兹时域谱和载有杂质灰尘信息的太赫兹时域谱在有效频域内分别进行傅里叶变换得到参考信号频域谱Fmirror (ω)和载有杂质灰尘信息的太赫兹频域谱F dust（ω）；分析系统将载有杂质灰尘信息的太赫兹频域谱F dust（ω）除以参考信号频域谱Fmirror (ω)，得到聚变装置运行过后沉积在第一镜表面灰尘杂质层的相对反射率谱；
不同物质的太赫兹反射谱都有所区别，通过大量实验积累建立所有物质太赫兹反射谱的特征峰的数据库，或者通过分子动力学模拟计算出各种物质对太赫兹的太赫兹反射谱的特征峰，并建立相应的数据库；将第一镜表面灰尘杂质层的相对反射谱的波形、谱峰位置各个信息与数据库内所有物质的太赫兹反射谱信息进行比对，谱峰相同则物质相同，从而推算出杂质成分信息；
步骤400：杂质成分确定后，太赫兹波在物质中的传播速度v就可以确定，根据太赫兹时域谱中两个回波信号之间的时间差值t精确计算出杂质层厚度d，计算公式为： 
。
一种分析聚变装置第一镜杂质结构的方法，具体包括以下步骤：
步骤10：测量原始第一镜的参考太赫兹时域波谱，以此作为参考太赫兹时域谱；
步骤20：经过磁约束聚变装置运行一段时间后，第一镜表面沉积一层致密的杂质灰尘，与步骤10相同条件下测量载有杂质灰尘的第一镜表面反射太赫兹时域波谱；由于第一镜表面存在一层致密的杂质层，太赫兹波脉冲传播过程中经空气与杂质层之间的界面和杂质层与第一镜表面之间的界面反射，太赫兹波接收器件探测到上述两个界面的回波信号；两回波信号之间的时间差暗含了太赫兹波传播路径的区别；
步骤30：根据太赫兹时域谱中两个回波信号之间的时间差值t精确计算出杂质沉积层厚度d，计算公式为：。
步骤40：太赫兹发射、接收模块可在平行于第一镜表面的平面内同步移动，通过空间扫描的方式，可获得第一镜表面所有位置的杂质成分信息及杂质层厚度信息。经过数据处理，给出第一镜表面杂质结构信息；对于非平面类型的第一镜表面杂质结构的测量，只需要设置扫描方式，让扫描系统带着太赫兹发射、接收模块沿着平行于第一镜表面的曲面内扫描。
有益效果：本发明是一种无损检测第一镜表面杂质沉积层厚度及其结构的方法，可以直观的显示杂质沉积层的成分信息，且样品无需预处理，实用性强。太赫兹波在真空环境下传播损耗小，可以实现远距离原位在线诊断。本发明能够在磁约束聚变装置运行过程中原位分析第一镜表面杂质沉积、分布特点，有助于理解磁约束聚变装置运行过程中杂质灰尘沉积，氘氚燃料滞留等PSI问题。
附图说明
图1为基于反射式太赫兹光谱第一镜表面杂质分析装置的示意图。
图2为入射太赫兹波与经第一镜杂质层反射后的太赫兹波形示意图。
图3为本发明一种分析聚变装置第一镜杂质沉积层厚度及其结构的方法流程框图。
附图标识：1-计算机控制系统，2-脉冲宽带太赫兹波发射模块，3-磁约束聚变装置腔室，4-太赫兹入射窗口，5-第一镜，6-固定支架，7-太赫兹接收接收模块，8-第一抛面镜，9-第二抛面镜，10-第三抛面镜，11-第四抛面镜，12-三维移动模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明一种分析聚变装置第一镜杂质沉积层厚度的方法，具体包括以下步骤：
步骤100：测量原始第一镜的参考太赫兹时域波谱，以此作为参考太赫兹时域谱；
步骤200：经过磁约束聚变装置运行一段时间后，第一镜表面沉积一层致密的杂质灰尘，与步骤100相同条件下测量载有杂质灰尘的第一镜表面反射太赫兹时域波谱；由于第一镜表面存在一层致密的杂质层，太赫兹波脉冲传播过程中经空气与杂质层之间的界面和杂质层与第一镜表面之间的界面反射，太赫兹波接收器件探测到上述两个界面的回波信号；两回波信号之间的时间差暗含了太赫兹波传播路径的区别；
步骤300：分析系统将测得的参考太赫兹时域谱和载有杂质灰尘信息的太赫兹时域谱在有效频域内分别进行傅里叶变换得到参考信号频域谱Fmirror (ω)和载有杂质灰尘信息的太赫兹频域谱F dust（ω）；分析系统将载有杂质灰尘信息的太赫兹频域谱F dust（ω）除以参考信号频域谱Fmirror (ω)，得到聚变装置运行过后沉积在第一镜表面灰尘杂质层的相对反射率谱；
不同物质的太赫兹反射谱都有所区别，通过大量实验积累建立所有物质太赫兹反射谱的特征峰的数据库，或者通过分子动力学模拟计算出各种物质对太赫兹的太赫兹反射谱的特征峰，并建立相应的数据库；将第一镜表面灰尘杂质层的相对反射谱的波形、谱峰位置各个信息与数据库内所有物质的太赫兹反射谱信息进行比对，谱峰相同则物质相同，从而推算出杂质成分信息；
步骤400：杂质成分确定后，太赫兹波在物质中的传播速度v就可以确定，根据太赫兹时域谱中两个回波信号之间的时间差值t精确计算出杂质层厚度d，计算公式为：
。
本发明一种分析聚变装置第一镜杂质结构的方法，具体包括以下步骤：
步骤10：测量原始第一镜的参考太赫兹时域波谱，以此作为参考太赫兹时域谱；
步骤20：经过磁约束聚变装置运行一段时间后，第一镜表面沉积一层致密的杂质灰尘，与步骤10相同条件下测量载有杂质灰尘的第一镜表面反射太赫兹时域波谱；由于第一镜表面存在一层致密的杂质层，太赫兹波脉冲传播过程中经空气与杂质层之间的界面和杂质层与第一镜表面之间的界面反射，太赫兹波接收器件探测到上述两个界面的回波信号；两回波信号之间的时间差暗含了太赫兹波传播路径的区别；
步骤30：根据太赫兹时域谱中两个回波信号之间的时间差值t精确计算出杂质沉积层厚度d，计算公式为：
。
步骤40：太赫兹发射、接收模块可在平行于第一镜表面的平面内同步移动，通过空间扫描的方式，可获得第一镜表面所有位置的杂质成分信息及杂质层厚度信息。经过数据处理，给出第一镜表面杂质结构信息；对于非平面类型的第一镜表面杂质结构的测量，只需要设置扫描方式，让扫描系统带着太赫兹发射、接收模块沿着平行于第一镜表面的曲面内扫描。
参照图1，在本实施例中，首先完成第一镜5初始镜面的太赫兹扫描成像任务，记录下原始第一镜各个位置的太赫兹反射谱数据。扫描过程详述如下：
计算机控制系统1通过数据线控制脉冲宽带太赫兹波发射模块2发射的太赫兹波经过第一抛面镜8、第二抛面镜9调整后，通过安装在磁约束聚变装置腔室3上的太赫兹入射窗口4入射并聚焦到第一镜5表面。太赫兹入射窗口4起到透射太赫兹波并密封装置维持装置工作气压的作用。太赫兹入射窗口4对太赫兹波段有着非常高的透过率。经第一镜5表面反射的太赫兹波携带了聚焦斑点处第一镜5表面杂质信息。反射后的太赫兹波通过太赫兹入射窗口4入射到第三抛面镜10上，经第三抛面镜10、第四抛面镜11调整后，准直聚焦到太赫兹波接收模块7上。太赫兹接收模块7将测到第一镜表面太赫兹反射时域谱数据传输给计算机控制系统1记录并保。
参照图2，第一镜表面沉积了一层致密的杂质，太赫兹波接收模块7测到的反射太赫兹波时域谱一般由2个波峰组成，这2个波峰分别对应空气-杂质层界面和杂质层-第一镜表面界面的反射，而且他们的偏振和振幅是由各个界面的反射系数所决定的。计算机控制系统1可将反射率时域谱进行傅里叶变化，转化为太赫兹频域谱。第一镜表面的杂质成分，多为碳、硅、锂、氧等及其化合物所组成。这些物质在0.1THz~10THz范围内的某些特定波段会出现较强的特征吸收峰。计算机控制系统1数据库中存储了各种杂质的太赫兹反射谱吸收峰信息，吸收峰值与杂质含量的对应关系和太赫兹在不同物质中的传播速度v。现将从受污染的第一镜表面测到的太赫兹反射谱的吸收峰位置与数据库中数据进行比对，位置相同，则证明第一镜表面沉积了该杂质。计算机控制系统1结合太赫兹反射频域谱的吸收峰峰值可以给出杂质含量信息。得到杂质成分及含量信息后，在数据库中就可以获得太赫兹波在该种物质中传播速度v。根据太赫兹反射时域谱中两个回波信号之间的时间差t,可以计算出该位置的杂质层厚度d(
)。这样就得到了该测量位置的杂质层成分信息，杂质层厚度值。
固定支架6将脉冲宽带太赫兹波发射模块2输出端，太赫兹接收接收模块7接收端，第一抛面镜8，第二抛面镜9，第三抛面镜10，第四抛面镜11固定并安装在三维移动模块12上，三维移动模块12在计算机控制系统1的指引下在三维空间内沿任意轨迹精密移动。通过扫描的方式得到整块第一镜表面各区域的杂质成分信息，杂质层厚度值，再通过计算机控制系统1就可以重构出第一镜表面杂质层结构。
本发明可以实现原位、在线分析磁约束聚变装置第一镜表面杂质沉积层的成分及结构，这对于理解聚变装置PSI过程有着重要意义。依据本发明可以开发出用于监测磁约束聚变装置内第一镜、第一壁表面沉积放电产生的杂质，及滞留的氘氚燃料，在安全检测领域必定有着广阔的应用前景。
以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种分析聚变装置第一镜杂质沉积层厚度的方法，具体包括以下步骤：
步骤100：测量原始第一镜的参考太赫兹时域波谱，以此作为参考太赫兹时域谱；
步骤200：经过磁约束聚变装置运行一段时间后，第一镜表面沉积一层致密的杂质灰尘，与步骤100相同条件下测量载有杂质灰尘的第一镜表面反射太赫兹时域波谱；由于第一镜表面存在一层致密的杂质层，太赫兹波脉冲传播过程中经空气与杂质层之间的界面和杂质层与第一镜表面之间的界面反射，太赫兹波接收器件探测到上述两个界面的回波信号；两回波信号之间的时间差暗含了太赫兹波传播路径的区别；
步骤300：分析系统将测得的参考太赫兹时域谱和载有杂质灰尘信息的太赫兹时域谱在有效频域内分别进行傅里叶变换得到参考信号频域谱Fmirror(ω)和载有杂质灰尘信息的太赫兹频域谱F dust（ω）；分析系统将载有杂质灰尘信息的太赫兹频域谱F dust（ω）除以参考信号频域谱Fmirror(ω)，得到聚变装置运行过后沉积在第一镜表面灰尘杂质层的相对反射率谱；
不同物质的太赫兹反射谱都有所区别，通过大量实验积累建立所有物质太赫兹反射谱的特征峰的数据库，或者通过分子动力学模拟计算出各种物质对太赫兹的太赫兹反射谱的特征峰，并建立相应的数据库；将第一镜表面灰尘杂质层的相对反射谱的波形、谱峰位置各个信息与数据库内所有物质的太赫兹反射谱信息进行比对，谱峰相同则物质相同，从而推算出杂质成分信息；
步骤400：杂质成分确定后，太赫兹波在物质中的传播速度v则确定，根据太赫兹时域谱中两个回波信号之间的时间差t，计算出该测量位置杂质层厚度d；具体的计算公式为： 。
2.一种分析聚变装置第一镜杂质结构的方法，具体包括以下步骤：
步骤10：测量原始第一镜的参考太赫兹时域波谱，以此作为参考太赫兹时域谱；
步骤20：经过磁约束聚变装置运行一段时间后，第一镜表面沉积一层致密的杂质灰尘，与步骤10相同条件下测量载有杂质灰尘的第一镜表面反射太赫兹时域波谱；由于第一镜表面存在一层致密的杂质层，太赫兹波脉冲传播过程中经空气与杂质层之间的界面和杂质层与第一镜表面之间的界面反射，太赫兹波接收器件探测到上述两个界面的回波信号；两回波信号之间的时间差暗含了太赫兹波传播路径的区别；
步骤30：根据太赫兹时域谱中两个回波信号之间的时间差值t精确计算出杂质沉积层厚度d，计算公式为：
；
步骤40：太赫兹发射、接收模块在平行于第一镜表面的平面内同步移动，通过空间扫描的方式，获得第一镜表面所有位置的杂质成分信息及杂质沉积层厚度信息；经过数据处理，给出第一镜表面杂质结构信息；对于非平面类型的第一镜表面杂质结构的测量，只需要设置扫描方式，让扫描系统带着太赫兹发射、接收模块沿着平行于第一镜表面的曲面内扫描。
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