CN103115893A - 一种检测托卡马克钨第一壁灰尘沉积层成分及厚度的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及核聚变与光学诊断领域，特别涉及一种检测托卡马克钨第一壁灰尘沉积层成分及厚度的装置，包括：太赫兹波发射装置、太赫兹波探测装置、激光测距探头、测温探头、太赫兹时域-频域转换模块、数据库模块、结果输出模块；所述激光测距探头、测温探头与数据库模块数据连接；所述太赫兹波发射装置向托卡马克钨第一壁探测区域射入太赫兹波，托卡马克钨第一壁探测区域反射回的太赫兹波由太赫兹波探测装置接收，太赫兹波探测装置与太赫兹时域-频域转换模块、数据库模块、结果输出模块依次数据连接。本发明利用反射太赫兹时域谱技术结合计算机数据库，能够在线、同步且无接触无损伤的检测托卡马克钨第一壁灰尘沉积层成分及厚度。
Description
技术领域
本发明涉及核聚变与光学诊断领域，特别涉及一种检测托卡马克钨第一壁灰尘沉积层成分及厚度的装置，能够在线、快速、同步地检测托卡马克钨第一壁灰尘成分及厚度信息，且无接触无损伤，实用性强。
背景技术
太赫兹（Terahertz or 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。太赫兹时域光谱系统是一种相干探测技术，能够同时获得太赫兹脉冲的振幅信息和相位信息，通过对时间波形进行傅立叶变换能直接得到样品的吸收系数和折射率等光学参数。太赫兹时域光谱技术探测灵敏度很高，已经广泛应用于材料性质的分析中。理论及实验研究表明，很多工业材料用太赫兹时域光谱技术探测，能有效的产生共振吸收峰，从而提供了特征指纹谱，并可以进行探测识别。同时，在某些环境下，太赫兹波具有独特的强透射能力和低辐射能量的特点，不会对材料造成伤害，而且具有高功率及高分辨率。在高密度、高温、磁化等离子体中，太赫兹波同样也表现出零吸收的特性，这就为利用太赫兹波来检测托卡马克内钨第一壁灰尘沉积层成分及厚度提供了可能。
在核聚变托卡马克装置中，等离子体与壁材料相互作用将会产生灰尘。灰尘的成因非常复杂，涉及到多种等离子过程，同时灰尘颗粒打击或者沉积到第一壁上时有可能改变壁材料的热传导率及其他性质。灰尘问题已经成为聚变领域的一个热点问题。到目前为止，观察灰尘的主要方法是快速相机拍摄的方法，或者使用气凝胶采集器壁上灰尘样本颗粒的方法，从而得到灰尘颗粒的速度、尺寸等方面的信息，因此在实际工作条件中，有这样一种可以在线无损伤检测托卡马克装置灰尘沉积层厚度及成分的装置就显得十分重要。
托卡马克装置中灰尘成分主要有钨（W）、铍（Be）、钼（Mo）、碳（C）、硼（B）、氧（O）、硅（Si）、铬（Cr）、锰（Mn）等，理论模拟计算表明，这些成分沉积在钨第一壁上在太赫兹波段的吸收谱可以特征识别，不同成分与钨表面结合的太赫兹频域谱特征谱线出现的位置不同，同时同一成分随着沉积在钨上薄膜厚度的变化，虽然太赫兹波射入第一壁反射回的太赫兹频域谱的特征谱线位置不变，但是强度会发生相应的变化，根据这一特征，可以结合模拟实验及分子动力学方法确定不同成分沉积在钨表面若干条特征谱线峰值位置，对于每一种成分，计算出相对强度比随薄膜厚度变化曲线，将以上模拟结果集成为计算机数据库，以此方法同时推测出托卡马克装置钨第一壁灰尘沉积层成分及厚度，从而达到同步在线且无损伤检测。
发明内容
本发明的目的：为解决上述现有技术中的技术问题，提供一种检测托卡马克钨第一壁灰尘沉积层成分及厚度的装置，利用反射太赫兹时域谱技术结合计算机数据库，能够在线、同步且无接触无损伤的检测托卡马克钨第一壁灰尘沉积层成分及厚度。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种检测托卡马克钨第一壁灰尘沉积层成分及厚度的装置，放置于托卡马克磁约束聚变装置观测窗口外部，包括：包括：太赫兹波发射装置2、太赫兹波探测装置3、激光测距探头4、测温探头5、太赫兹时域-频域转换模块6、数据库模块7、结果输出模块8；
所述激光测距探头4、测温探头5与数据库模块7数据连接；所述太赫兹波发射装置2向托卡马克钨第一壁探测区域1射入太赫兹波，托卡马克钨第一壁探测区域1反射回的太赫兹波由太赫兹波探测装置3接收，太赫兹波探测装置3与太赫兹时域-频域转换模块6、数据库模块7、结果输出模块8依次数据连接。
所述太赫兹波探测装置3保存为太赫兹时域谱。
所述数据库模块7的功能有：①记录探测距离；②记录工作温度；③读取数据库中该探测距离以及该工作温度下不同成分灰尘沉积在钨表面的太赫兹特征谱线峰值位置，并与实验所得特征谱线位置比较，从而确定灰尘沉积层成分；④确定成分后，自动提取数据库中该成分灰尘的沉积层厚度-相对强度比函数关系，与实验中所得相对强度比相比较，确定沉积层厚度。
所述计算机系统9记录并保存输出结果。
本发明的有益效果是：本发明利用反射太赫兹时域谱技术结合计算机数据库，为快速、同步检测磁约束聚变托卡马克装置钨第一壁灰尘沉积层成分以及厚度提供了条件，在磁约束装置窗口外向托卡马克第一壁探测区域发射太赫兹波，并接收反射时域谱，将其转换成频域谱，最后与计算机数据库进行比对，确定灰尘成分和沉积层厚度，从而达到同步在线且无接触无损伤检测。从而达到在线、无接触、无损伤检测。
附图说明
图1为本发明一种检测托卡马克钨第一壁灰尘沉积层成分及厚度的装置的结构示意图。
图2为本发明检测托卡马克钨第一壁上灰尘及厚度示意图。
图3为不同灰尘成分沉积在钨表面上的太赫兹频域谱特征谱线示意图。
图4为一种灰尘成分不同厚度沉积在钨表面的太赫兹频域谱特征谱线示意图。
图5为数据库中不同灰尘成分沉积层厚度-相对强度比关系示意图。
附图标识：1-托卡马克钨第一壁探测区域，2-太赫兹波发射装置，3-太赫兹波探测装置，4-激光测距探头，5-测温探头，6-太赫兹时域-频域转换模块，7-数据库模块，8-结果输出模块，9-计算机系统，10-钨第一壁表面，11-检测托卡马克钨第一壁灰尘沉积层成分及厚度的装置。
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。
本发明种检测托卡马克钨第一壁灰尘沉积层成分及厚度的装置，托卡马克装置中灰尘成分主要有钨（W）、铍（Be）、钼（Mo）、碳（C）、硼（B）、氧（O）、硅（Si）、铬（Cr）、锰（Mn）等，此装置放置于托卡马克磁约束聚变装置观测窗口外部，包括：包括：太赫兹波发射装置2、太赫兹波探测装置3、激光测距探头4、测温探头5、太赫兹时域-频域转换模块6、数据库模块7、结果输出模块8；
所述激光测距探头4、测温探头5与数据库模块7数据连接；所述太赫兹波发射装置2向托卡马克钨第一壁探测区域1射入太赫兹波，托卡马克钨第一壁探测区域1反射回的太赫兹波由太赫兹波探测装置3接收，太赫兹波探测装置3与太赫兹时域-频域转换模块6、数据库模块7、结果输出模块8依次数据连接。
所述太赫兹波探测装置3保存为太赫兹时域谱。
所述数据库模块7的功能有：①记录探测距离；②记录工作温度；③读取数据库中该探测距离以及该工作温度下不同成分灰尘沉积在钨表面的太赫兹特征谱线峰值位置，并与实验所得特征谱线位置比较，从而确定灰尘沉积层成分；④确定成分后，自动提取数据库中该成分灰尘的沉积层厚度-相对强度比函数关系，与实验中所得相对强度比相比较，确定沉积层厚度。
所述计算机系统9记录并保存输出结果。
参照图2，灰尘沉积在钨第一壁表面10上，是需要检测的区域，本发明通过托卡马克磁约束聚变装置窗口发射太赫兹波，从而检测钨第一壁表面的灰尘成分及厚度。
图3为不同灰尘成分沉积在钨表面上的太赫兹频域谱特征谱线示意图。模拟结果为：不同的成分沉积在钨表面上，由于在太赫兹区域可以特征识别，因此在太赫兹频域谱特征谱线峰值位置不同，根据这一特性，可以由频域谱特征谱线位置来推断灰尘成分。
图4为同一种灰尘成分当沉积厚度不同时，太赫兹频域谱特征谱线位置相同，但是特征谱线的强度不同，因此根据这一特征，可以在确定灰尘成分后，将得到的太赫兹频域谱特征谱线与数据库该成分标定厚度（如1μm）的特征谱线强度相对比得到相对强度比，可以用R=Ix/I0表示，据此来推断灰尘沉积层厚度。
图5为数据库模拟的沉积层厚度-相对强度比函数关系图。理论上可计算出该灰尘沉积在钨表面不同厚度与标定厚度（如1μm）的频域谱特征谱线的相对强度比，得到沉积层厚度d与相对强度比R的函数关系R=f(d)，读取该灰尘成分，选取特征谱线，得到该厚度与标定厚度谱线的相对强度比，与数据库函数关系比对，从而确定灰尘沉积层厚度。
理论模拟计算后，可以拟合不同沉积成分的沉积层厚度-相对强度比的函数变化关系，从而将实验与理论结果相比照，可得沉积层厚度。
为了更好地说明反射太赫兹时域光谱技术如何应用于检测托卡马克钨第一壁灰尘沉积层成分及厚度，下面将结合图1详细介绍一下本发明的具体实施方案：
（1）在托卡马克磁约束聚变装置正常工作时，将本发明放置在托卡马克磁约束聚变装置窗口外，探头方向垂直于托卡马克钨第一壁探测区域1表面。
首先激光测距探头4探测托卡马克钨第一壁探测区域1与探头距离，测温探头5探测托托卡马克磁约束聚变装置内部工作温度，并将记录的探测距离及工作温度输入至数据库模块7，同时由太赫兹波发射装置2向托卡马克钨第一壁探测区域1射入太赫兹波；
（2）由托卡马克钨第一壁探测区域1灰尘沉积层反射回的太赫兹波由太赫兹波探测装置3接收，并记录该成分该厚度下灰尘沉积层反射回的太赫兹时域谱；
（3）将上述太赫兹时域谱导入太赫兹时域-频域转换模块6，所述太赫兹时域-频域转换模块6将太赫兹时域谱在有效频域内做傅里叶变换，得到频域谱；
（4）将上述频域谱导入至数据库模块7，所述数据库模块7自动选取特征谱线，与数据库中存入的各种不同灰尘成分的特征谱线位置相对比，确定灰尘成分；
（5）确定灰尘成分后，继续从数据库模块7自动提取数据库中该成分灰尘的沉积层厚度-相对强度比函数关系，并将实验所得频域谱谱线强度与该成分的数据库标定厚度频域谱谱线强度相比，得到相对强度比，通过数据库的沉积层厚度-相对强度比函数关系，确定沉积层厚度；
（6）数据库模块7将确定出的灰尘沉积层成分及厚度由输出模块8输出结果；
（7）将输出结果导入至计算机系统9 ，可以记录不同探测区域的成分及厚度，达到连续测量的目的。
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)
1.一种检测托卡马克钨第一壁灰尘沉积层成分及厚度的装置，其特征在于，所述一种检测托卡马克钨第一壁灰尘沉积层成分及厚度的装置，包括：太赫兹波发射装置（2）、太赫兹波探测装置（3）、激光测距探头（4）、测温探头（5）、太赫兹时域-频域转换模块（6）、数据库模块（7）、结果输出模块（8）；
所述激光测距探头（4）、测温探头（5）与数据库模块（7）数据连接；所述太赫兹波发射装置（2）向托卡马克钨第一壁探测区域（1）射入太赫兹波，托卡马克钨第一壁探测区域（1）反射回的太赫兹波由太赫兹波探测装置（3）接收，太赫兹波探测装置（3）与太赫兹时域-频域转换模块（6）、数据库模块（7）、结果输出模块（8）依次数据连接。
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