CN103105376B - 一种原位分析聚变装置第一镜表面杂质的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学诊断领域，公开了一种原位分析聚变装置第一镜表面杂质的方法，首先测量并记录原始第一镜的太赫兹时域波谱，然后测量磁约束聚变装置运行一段时间后载有杂质灰尘的第一镜表面反射太赫兹时域波谱；将两者在有效频域内分别进行傅里叶变换，并进一步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，将其与计算机数据库中所有物质的太赫兹吸收峰相比较；如果数据库中某种物质的特征吸收峰重合，就证明第一境表面杂质灰尘中含有该物质。本发明是一种无损检测方法，可以有效地检测沉积杂质的物理化学信息；由于太赫兹波在聚等离子体及真空腔室内传播过程损耗极小，可以实现远距离原位在线诊断，信噪比较高，稳定性好；依据本发明，可以开发出小型，高效，直观的第一镜表面检测设备。
Description
技术领域
本发明涉及光学诊断领域，特别涉及一种原位分析聚变装置第一镜表面杂质的方法。
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和高能粒子流轰击，这使得常规接触式等离子体诊断设备无法工作。在现代磁约束核聚变装置中，光学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中，正常运行条件下，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。这种沉积杂质层将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。
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。这可以在一定范围内纠正由于第一镜光学参数下降所产生的测量误差，并对于第一镜激光清洗工作具有指导意义，对于整个光学诊断技术的稳定运行十分重要。
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，提供一种原位分析聚变装置第一镜表面杂质的方法，能够原位、在线、实时、远程监测第一镜表面尘埃杂质的沉积情况，对研究杂质灰尘，燃料滞留等物理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：提供了一种原位分析聚变装置第一镜表面杂质的方法，具体包括以下步骤：
步骤100：测量并记录原始第一镜5的太赫兹时域波谱，以此作为参考太赫兹时域谱；
步骤200：经过磁约束聚变装置3运行一段时间后，在第一镜表面沉积一层致密的杂质灰尘，在与步骤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；
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）；
步骤400：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)，得到磁约束聚变装置3运行过后沉积在第一镜表面灰尘杂质层的相对反射率谱；
步骤500：分析系统通过分析相对反射率谱，提取出吸收峰的信息，并与计算机数据库中所有物质的太赫兹吸收峰相比较。由于太赫兹特征吸收峰往往对应着某些极性分子的振动能级和转动能级，分析系统将相对反射率谱的波形，吸收峰的位置信息，与计算机数据库中已知材料的太赫兹特征吸收峰比对，如果测到反射率谱中某个或某几个谱峰都与计算机数据库中某种物质的太赫兹吸收峰位置相一致，则证明该测量区域含有这种物质。根据谱峰的强度值，可以半定量的给出该物质的含量。
步骤600：通过扫描的方式对第一镜5表面沉积杂质的成分进行二维成像；完成高灵敏度、原位、无损、在线监测磁约束聚变装置第一镜表面杂质灰尘沉积过程的任务。
有益效果：本发明能够在磁约束聚变装置运行过程中连续监测灰尘沉积物理过程，分布特点等热点问题，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；本发明是一种无损检测方法，可以有效地检测沉积杂质的物理化学信息；由于太赫兹波在核聚变装置真空腔室内传播过程损耗小，可以实现远距离原位在线诊断，信噪比较高，稳定性好；依据本发明，可以开发出小型，高效，直观的第一镜表面检测设备。
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为磁约束聚变装置运行一年后第一镜实物照片。
图3为本发明一种原位分析聚变装置第一镜表面杂质的方法流程框图。
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，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，12-三维扫描系统。
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。
本发明一种原位分析聚变装置第一镜表面杂质的方法，具体包括以下步骤：
步骤100：测量并记录原始第一镜5的太赫兹时域波谱，以此作为参考太赫兹时域谱；
步骤200：经过磁约束聚变装置3运行一段时间后，在第一镜表面沉积一层致密的杂质灰尘，在与步骤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；
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）；
步骤400：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)，得到磁约束聚变装置3运行过后沉积在第一镜表面灰尘杂质层的相对反射率谱；
步骤500：分析系统通过分析相对反射率谱，提取出吸收峰的信息，并与计算机数据库中所有物质的太赫兹吸收峰相比较。由于太赫兹特征吸收峰往往对应着某些极性分子的振动能级和转动能级，分析系统将相对反射率谱的波形，吸收峰的位置信息，与计算机数据库中已知材料的太赫兹特征吸收峰比对，如果测到反射率谱中某个或某几个谱峰都与计算机数据库中某种物质的太赫兹吸收峰位置相一致，则证明该测量区域含有这种物质。根据谱峰的强度值，可以半定量的给出该物质的含量。
步骤600：通过扫描的方式对第一镜5表面沉积杂质的成分进行二维成像；完成高灵敏度、原位、无损、在线监测磁约束聚变装置第一镜表面杂质灰尘沉积过程的任务。
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控制脉冲宽带太赫兹波发射模块2产生脉冲宽带太赫兹波。太赫兹波经过第一抛面镜8、第二抛面镜9调整后，经安装在磁约束聚变装置腔室3上的太赫兹入射窗口4聚焦在第一镜5的表面。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对太赫兹波高透过率的材料。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表面信息，反射太赫兹波经太赫兹入射窗口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的探测晶体上，然后记录的经第一镜5表面反射的太赫兹时域谱fmirror（t）。太赫兹波接收模块7将第一镜5测量位置信息（坐标：x,y）和fmirror（t）通过数据线传输给计算机控制系统1，分析并保存。计算机控制系统1的软件系统自动将太赫兹时域fmirror（t）谱进行傅里叶变换，得到第一镜5测量位置所对应的太赫兹频域谱Fmirror(ω)。
完成该点的测量后，计算机控制系统1控制空间三维扫描系统12带动脉冲宽带太赫兹波发射模块2、太赫兹接收接收模块7、第一抛面镜8、第二抛面镜9、第三抛面镜10及第四抛面镜11共同移动，移动到新的测量位置，采集该位置太赫兹反射时域谱数据。固定支架6将脉冲宽带太赫兹波发射模块2、太赫兹接收接收模块7和第一抛面镜8、第二抛面镜9、第三抛面镜10及第四抛面镜11封装在一起，并安装在三维扫描系统12上，确保整个系统的空间移动不会干扰测量的准确度。对于非平面式反射镜的测量，三维扫描系统12依据计算机控制系统1的指令在平行于第一镜5表面的平面内精确移动，确保在扫描过程中脉冲宽带太赫兹波发射模块2的输出端、太赫兹接收接收模块7的接收端与第一镜5之间的太赫兹传播距离保持不变，保障整个扫描过程不受镜面形貌的影响。
参照图2，磁约束聚变装置运行一段时间后，由于等离子与壁材料相互作用，会有大量杂质灰尘产生，这些杂质灰尘会与氘氚燃料相互反应沉积在第一镜表面，形成一层致密的杂质沉积层。此时重复第一镜5表面太赫兹扫描任务，得到受污染第一镜5表面的所有位置的太赫兹频域谱Fdust (ω)。Fdust（ω）载有杂质灰尘信息，将Fdust（ω）除以Fmirror (ω)便得到了相对反射率谱F（ω）。通过分析F（ω）就可以获得第一镜表面杂质的成分信息。由于杂质沉积层中包含了大量的极性分子，这些极性分子的振动能级和转动能级正好处于太赫兹频段，就使得相对反射率谱中特定频率处出现很强的吸收峰，根据反射式太赫兹光谱线形和谱峰等信息，与计算机控制系统1中数据库中数据相比对，很容易确定沉积物的成分结构信息（所述数据库应包含了所有磁约束聚变装置所产生灰尘杂质的太赫兹反射谱信息)。这些极性分子信息对于理解聚变装置PSI过程又是十分必要的，所以反射式太赫兹光谱技术在聚变装置中杂质灰尘的监测工作中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 (1)
1.一种原位分析聚变装置第一镜表面杂质的方法，具体包括以下步骤：
步骤100：测量并记录原始第一镜(5)表面反射的太赫兹时域波谱，以此作为参考太赫兹时域谱；
步骤200：经过磁约束聚变装置(3)运行一段时间后，在第一镜(5)表面沉积一层致密的杂质灰尘，在与步骤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；
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Fdust(ω)；
步骤400：将载有杂质灰尘信息的太赫兹频域谱Fdust(ω)除以参考信号频域谱Fmirror(ω)，得到磁约束聚变装置(3)运行过后沉积在第一镜表面灰尘杂质层的相对反射率谱；
步骤500：分析系统通过分析相对反射率谱，提取出吸收峰的信息，并与计算机数据库中所有物质的太赫兹吸收峰相比较；由于太赫兹特征吸收峰往往对应着某些极性分子的振动能级和转动能级，分析系统将相对反射率谱的波形，吸收峰的位置信息，与计算机数据库中已知材料的太赫兹特征吸收峰比对，当被测材料的吸收峰与数据库中某种物质的特征吸收峰重合，就证明第一镜表面杂质灰尘中含有该物质；结合峰值强度信息半定量给出物质的含量；
步骤600：通过扫描的方式对第一镜(5)表面沉积杂质的成分进行二维成像；完成高灵敏度、原位、无损、在线监测磁约束聚变装置第一镜表面杂质灰尘沉积过程的任务。
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