CN103344646B - 基于光学相干层析技术实时检测聚变堆第一壁损伤的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光学相干层析技术实时检测聚变堆第一壁损伤的方法。所述的检测系统由宽带光源、光纤耦合器、自聚焦透镜、探测器、放大器、数据采集及被检测的第一壁等组成。宽带激光经2×2光纤耦合器分为两束，一束光照射到参考镜，经反射，作为参考光。另一束光照射到聚变堆第一壁，经第一壁反射，作为信号光。这两束光在光纤耦合器中产生干涉信号，探测器接收干涉信号，经放大，计算机处理，就能重建出第一壁损伤的实时三维深度图像。将得到的图像与标准图像相比较，直观方便得到第一壁损伤的情况。本发明基于光学相干层析技术，分辨率高，图像清晰，为聚变堆第一壁表面及内部损伤提供了一种可行的检测方法。

Description

基于光学相干层析技术实时检测聚变堆第一壁损伤的方法

技术领域

本发明涉及光学相干层析（Optical Coherence Tomography，OCT）技术检测托卡马克聚变堆第一壁损伤领域，具体利用从第一壁背向散射光与参考光的干涉，通过图像处理与识别实现对第一壁损伤的实时检测。

背景技术

未来聚变堆第一壁材料问题是实现磁约束聚变的瓶颈问题之一。托卡马克聚变堆中，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(均匀地沉积在第一壁上，约占全部表面热负荷的20～60%)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，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，库仑碰撞雪崩效应将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，来自聚变堆芯部的稳态能流、粒子流造成中子辐照损伤，氢脆(D、T)，氦脆和气体肿胀。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；利用多光谱偏振光检测第一壁光学常数变化。

现有的光学相干层析技术主要运用于生物医学方面，关于光学相干层析技术应用于金属材料损伤检测的报道很少。OCT应用低相干干涉原理，通过将样品的背向散射光与已知光程的参考光进行比较，只有与参考光等光程位置处的背向散射光才能产生干涉信号，该信号的幅度反映了样品中该位置处的结构特征。现有的检测方法难以实现高能粒子对第一壁内部损伤的实时检测。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于光学相干层析技术实时检测聚变堆第一壁损伤的方法，基于OCT技术，通过对第一壁的三维成像，实时呈现托克马克反应堆第一壁内部结构及表面损伤的实时检测。

本发明采用的技术方案为：一种基于光学相干层析技术实时检测聚变堆第一壁损伤的方法，包括以下步骤：

S1:考虑纵向分辨率与脉宽成正比，与中心波长成反比，灵敏度与中心波长成正比，为了提高灵敏度与纵向分辨率，选择近红外波段宽带低相干光源；近红外波段的低相干光源作为入射光源，如840nm、1300nm超发光二极管（SLD）光源；

S2:设置光纤耦合器。选择与光源相匹配的光纤耦合器，如2×2单模光纤单窗宽带耦合器；

S3:光源发出的宽带低相干光经过光纤耦合器后分成两束，其中一束经过参考臂的扫描系统反射形成参考光，另一束经过物镜聚焦到托克马克第一壁内部，其背向散射光与参考光在光纤耦合器处重新汇合；

S4:在样品臂和参考臂的光纤出射端，采用自聚焦透镜作为准直器，产生平行光；

S5:参考臂主要用来产生光程差及差频信号，出射光经过准直后垂直射入平面镜后返回，参考臂步进电机的来回扫描产生的光程变换和匹配样品臂的光程，当参考臂和样品臂的光程差小于相干长度时，便会产生干涉信号；

S6:测量从第一壁（包括内部）反射回来的光延迟，纵向移动参考镜，使参考光与信号光产生干涉，记录参考镜的空间位置，便可得到第一壁及其内部相对应的空间位置信息；

S7:耦合器的输出是参考光与背向散射光的相干迭加，由光电探测器探测，将光信号转换成电信号，再经过前置放大、带通滤波等过程来增强信号，削弱噪声，然后由AD采样将模拟信号转换成数字信号存储在计算机中，最后由软件实现信号处理与图像显示；

S8:得到第一壁深度方向的一维测量数据，再进行扫描，就可测量样品的二维数据，对信号进行计算机处理，便可获取样品的三维层析图像；

S9:获取图像与第一壁标准样品样本图像进行匹配，据此判断第一壁损伤状况。

本发明的特征在于：现有的光学相干层析技术主要运用于生物医学方面，关于光学相干层析技术应用于金属材料损伤检测的报道很少，本发明首次提出运用光学相干层析技术检测托克马克反应堆第一壁损伤的方法，该方法三维成像特征可实时检测第一壁表面及内部损伤。采用宽带低相干光源，光学相干层析技术纵向分辨率可达到微米数量级。第一壁的背向散射光与参考光的光程小于相干长度时，产生干涉信号。通过参考臂的纵向扫描，可以测得背向散射光的幅度和回波时延，结合这两个参数可以得到托克马克第一壁表面及内部结构信息，由多次连续的纵向扫描即可组成一幅三维的第一壁内部形态结构截面图像，获取图像与第一壁标准样品样本图像进行匹配，据此判断第一壁损伤状况。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明采用光学相干层析技术检测第一壁损伤，具有非接触、高精度、快速实时、简便等特点。

（2）与常用光学检测方法不同，该方法基于光学相干层析技术，分辨率高（微米量级），图像清晰。通过对参考臂与第一壁的纵向扫描，得到干涉信号光强随距离的变化，经信号处理和图像显示，获取图像与第一壁标准样品样本图像进行匹配，可实现对第一壁损伤的实时快速检测。

附图说明

图1为光路原理示意图；

图2为第一壁表面及内部检测光路示意图。第一壁表面及内部出现肿胀和气泡，干涉信号光强与距离的关系。

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，本发明采用的检测系统由光学平台支架、宽带光源、光纤耦合器、自聚焦透镜、探测器、放大器、数据采集及被检测的第一壁等组成。宽带光源发出的激光经2×2光纤耦合器分为两束，一束光经自聚焦透镜照射到参考镜，经参考镜反射，作为参考光。另一束光经自聚焦透镜和透镜照射到托卡马克聚变堆第一壁，经第一壁反射，作为信号光。这两束光在光纤耦合器中相遇，产生干涉信号，探测器接收干涉信号，经放大器放大，数据采集，计算机处理，就能重建出第一壁损伤的实时三维深度图像。将得到的图像与标准图像相比较，直观方便的得到第一壁损伤的情况。

如图1所示，为本发明具体实施的光路原理图。

步骤101设置宽带低相干光源。选择近红外波段的低相干光源作为入射光源，如840nm、1300nm超发光二极管（SLD）光源；

步骤102设置光纤耦合器。选择与光源相匹配的光纤耦合器，如2×2单模光纤单窗宽带耦合器；

步骤103光源发出的宽带低相干光经过光纤耦合器后分成两束，其中一束经过参考臂的扫描系统反射形成参考光，另一束经过物镜聚焦到托克马克第一壁内部，其背向散射光与参考光在光纤耦合器处重新汇合；

步骤104在样品臂和参考臂的光纤出射端，采用自聚焦透镜作为准直器，产生平行光；

步骤105参考臂主要用来产生光程差及差频信号，出射光经过准直后垂直射入平面镜后返回，参考臂步进电机的来回扫描产生的光程变换和匹配样品臂的光程，当参考臂和样品臂的光程差小于相干长度时，便会产生干涉信号；

步骤106测量从第一壁（包括内部）反射回来的光延迟，纵向移动参考镜，使参考光与信号光产生干涉，记录参考镜的空间位置，便可得到第一壁及其内部相对应的空间位置信息；

步骤107耦合器的输出是参考光与背向散射光的相干迭加，由光电探测器探测，将光信号转换成电信号，再经过前置放大、带通滤波等过程来增强信号，削弱噪声，然后由AD采样将模拟信号转换成数字信号存储在计算机中，最后由软件实现信号处理与图像显示。

步骤108得到第一壁深度方向的一维测量数据，再进行扫描，就可测量样品的二维数据，对信号进行计算机处理，便可获取样品的三维层析图像；

步骤109获取图像与第一壁标准样品样本图像进行匹配，据此判断第一壁损伤状况。

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，宽带低相干光源可以是可见光、近红外可调激光源，放大自辐射光源或者是光子晶体光纤激光器），因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (2)

1.一种基于光学相干层析技术实时检测聚变堆第一壁损伤的方法，其特征包含以下步骤：

S1:考虑纵向分辨率与脉宽成正比，与中心波长成反比，灵敏度与中心波长成正比，为了提高灵敏度与纵向分辨率，选择近红外波段宽带低相干光源；近红外波段的低相干光源作为入射光源，包括840nm或1300nm超发光二极管(SLD)光源；

S2:选择光纤耦合器，要求选择与光源相匹配的光纤耦合器；

S3:光源发出的宽带低相干光经过光纤耦合器后分成两束，其中一束经过参考臂的扫描系统反射形成参考光，另一束经过物镜聚焦到托克马克第一壁，其背向散射光作为信号光；

S4:信号光与参考光在光纤耦合器处重新汇合；

S5:参考臂用来产生光程差及差频信号，出射光经过准直后垂直射入平面镜后返回，参考臂步进电机的来回扫描产生光程变换，用以匹配样品臂的光程。当参考臂和样品臂的光程差小于相干长度时，便会产生干涉信号；

S6:测量从第一壁反射回来的光延迟，纵向移动参考镜，使参考光与信号光产生干涉，记录参考镜的空间位置，便可得到第一壁及其内部相对应的空间位置信息；

S7:耦合器的输出是参考光与背向散射光的相干迭加，由光电探测器探测，将光信号转换成电信号，再经过前置放大、带通滤波等过程来增强信号，削弱噪声，然后由AD采样将模拟信号转换成数字信号存储在计算机中，最后由实现信号处理与图像显示；

S8:得到第一壁深度方向的一维测量数据，再进行扫描，就能够测量样品的二维数据，对信号进行处理，便获取样品的三维层析图像；

S9:将获取的三维层析图像与第一壁标准样品的样本图像进行匹配，据此判断第一壁损伤状况，实现第一壁损伤的实时在线检测；

所述的步骤S1中，选择1300nm超发光二极管(SLD)光源时，带宽为50nm，纵向分辨率分别为6μm。

2.根据权利要求1所述的一种基于光学相干层析技术实时检测聚变堆第一壁损伤的方法，其特征在于：所述的步骤S2中，选择2×2单模光纤单窗宽带耦合器。