CN104880469B - 核聚变靶室及其原位在线检测装置和分析装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种核聚变靶室及其原位在线检测装置和分析装置，该核聚变靶室的原位在线检测装置包括：X射线光源；激发道毛细管X光透镜，其入口焦斑处设置所述X射线光源，用于会聚所述X射线光源发射的X射线并得到用于照射靶室样品的出口焦斑；探测道毛细管X光透镜，设置于样品分析的探测道，用于收集会聚带有所述靶室样品特征信息的X射线信号；所述探测道毛细管X光透镜的入口焦斑与所述激发道毛细管X光透镜的出口焦斑重合，形成位于所述核聚变靶室中的共聚焦区；X射线探测器，设置于所述探测道毛细管X光透镜的出口端一侧，用于探测带有所述靶室样品特征信息的X射线信号。实施本发明能高效准确地对核聚变靶室内的样品进行原位分析。
Description
技术领域
本发明涉及核聚变分析控制技术领域，特别涉及一种核聚变靶室及其原位在线检测、分析装置。
背景技术
能源是人类活动的物质基础，能源和环境也是全人类共同关心的问题，因此，如何得到环境友好的能源得到全世界人们的关注。原子核中蕴藏巨大的能量，核聚变与核裂变均伴随着能量的释放，相比于核裂变，核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题，而且其原料可直接取自海水中的氘，来源丰富，是理想的能源方式。
目前，人类已经实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。但是，可控的核聚变才能被人类长期有效的利用，如何控制核聚变的速度和规模，实现持续、平稳的能量输出，是本领域技术人员努力研究的重点难题。
近年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，但本发明的发明人发现在突破关键性技术时，如何原位在线检测分析核聚变靶室内的燃料和等离子体相关信息给核聚变的可控研究带来了阻碍。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提出一种核聚变靶室及其原位在线检测装置和分析装置，能够高效准确地对核聚变靶室内的样品进行原位分析。
进一步来讲，该核聚变靶室的原位在线检测装置包括：X射线光源；激发道毛细管X光透镜，其入口焦斑处设置所述X射线光源，用于会聚所述X射线光源发射的X射线并得到用于照射靶室样品的出口焦斑；其中，所述靶室样品位于核聚变靶室中，所述激发道毛细管X光透镜设置于样品分析的激发道；探测道毛细管X光透镜，设置于样品分析的探测道，用于收集会聚带有所述靶室样品特征信息的X射线信号；所述探测道毛细管X光透镜的入口焦斑与所述激发道毛细管X光透镜的出口焦斑重合，形成位于所述核聚变靶室中的共聚焦区；X射线探测器，设置于所述探测道毛细管X光透镜的出口端一侧，用于探测带有所述靶室样品特征信息的X射线信号。
可选地，在一些实施例中，所述激发道毛细管X光透镜和所述探测道毛细管X光透镜的出口焦斑和入口焦斑的直径范围为0.05-7000微米，透镜长度范围为2-500毫米，入口端直径范围为2-30毫米，出口端直径范围为2-40毫米，适用X射线的能量范围为3-100keV。
可选地，在一些实施例中，所述激发道毛细管X光透镜的参量选用如下数据：出口焦斑的直径为40微米，透镜长度为5毫米，入口端直径为3毫米，出口端直径为10毫米，适用X射线的能量范围为6-20keV；相应地，所述探测道毛细管X光透镜的参量选用如下数据：入口焦斑的直径为42微米，透镜长度为4毫米，入口端直径为4毫米，出口端直径为12毫米，适用X射线的能量范围为6-20keV；
或者，所述激发道毛细管X光透镜的参量选用如下数据：出口焦斑的直径为1000微米，透镜长度为20毫米，入口端直径为10毫米，出口端直径为30毫米，适用X射线的能量范围为30-50keV；相应地，所述探测道毛细管X光透镜的参量选用如下数据：入口焦斑的直径为1000微米，透镜长度为40毫米，入口端直径为14毫米，出口端直径为20毫米，适用X射线的能量范围为30-50keV；
或者，所述激发道毛细管X光透镜的参量选用如下数据：出口焦斑的直径为2000微米，透镜长度为340毫米，入口端直径为23毫米，出口端直径为25毫米，适用X射线的能量范围为60-90keV；相应地，所述探测道毛细管X光透镜的参量选用如下数据：出口焦斑的直径为2000微米，透镜长度为400毫米，入口端直径为20毫米，出口端直径为29毫米，适用X射线的能量范围为60-90keV。
可选地，在一些实施例中，所述激发道毛细管X光透镜和所述探测道毛细管X光透镜在沿各自长度方向上的外形为锥形面段、抛物线型面段或者其它二次曲面段。
可选地，在一些实施例中，所述激发道毛细管X光透镜和所述探测道毛细管X光透镜为拉丝炉拉制的单毛细管透镜，所述单毛细管透镜为玻璃或金属材质的中空圆形管体，所述单毛细管透镜的中空管内壁上全反射X射线。
可选地，在一些实施例中，所述X射线探测器为空间分辨探测器，空间分辨范围为1-100微米；或者，所述X射线探测器为能量分辨探测器，能量分辨的范围为100-200eV。
另外，本发明的实施例还提出一种核聚变靶室的原位在线分析装置，该核聚变靶室的原位在线分析装置包括：前述所述的任意一个核聚变靶室的原位在线检测装置和分析处理装置，分析处理装置与所述X射线探测器连接，用于从所述X射线探测器探测到的信号中提取具有所述靶室样品的指纹特征的X射线信号，并进行三维无损原位在线分析获取所述靶室样品的相关特征信息。
可选地，在一些实施例中，所述靶室样品为所述核聚变靶室内的燃料；所述靶室样品的相关特征信息包括燃料的成分、结构、密度及形貌。
可选地，在一些实施例中，所述靶室样品为所述核聚变靶室内的等离子体；所述靶室样品的相关特征信息包括：预加热等离子体的形成过程、等离子体的密度分度、等离子体的温度、等离子体温度随时间变化的相关信息、以及等离子体中重离子杂质的存在情况。
相对于现有技术，本发明各实施例具有以下优点：
采用本发明实施例的技术方案后，利用毛细管X光透镜共聚焦技术原位检测、分析核聚变靶室中样品的性质，激发道毛细管X光透镜和探测道毛细管X光透镜具有高功率密度增益，形成位于核聚变靶室中的共聚焦区，可以高效准确地对核聚变靶室内的燃料和等离子体性质进行原位分析。
本发明实施例还提供了一种核聚变靶室，核聚变靶室设置有前述任一种原位在线分析装置。由于上述任一种原位在线分析装置具有上述技术效果，因此，设有该原位在线分析装置的核聚变靶室也应具备相应的技术效果。
本发明实施例的更多特点和优势将在之后的具体实施方式予以说明。
附图说明
构成本发明实施例一部分的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例原位在线检测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中激发道毛细管X光透镜的主体结构示意图；
图3为本发明实施例中探测道毛细管X光透镜的主体结构示意图；
图4为本发明实施例中毛细管X光透镜沿垂直于其中心对称轴线的剖面示意图。
附图标记说明
1 X射线光源
2 激发道毛细管X光透镜
3 靶室样品
4 核聚变靶室
5 探测道毛细管X光透镜
6 X射线探测器
7 共聚焦区
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图，对本发明的各优选实施例作进一步说明：
针对在实现控制核聚变进程中遇到的原位在线检测的技术难题，本发明的发明人就核聚变室的原位在线检测分析进行了大量的研制和应用研究，制作出一种核聚变靶室的原位在线检测装置，实现对核聚变靶室内的样品进行三维无损原位在线分析。
实施例一
参照图1，其为本实施例核聚变靶室的原位在线检测装置，该原位在线检测装置包括：X射线光源1、激发道毛细管X光透镜2、探测道毛细管X光透镜5、及X射线探测器6。
本实施例中，激发道毛细管X光透镜2的入口焦斑处设置X射线光源1，激发道毛细管X光透镜2用于会聚X射线光源1发射的X射线并得到用于照射靶室样品3的出口焦斑。其中，靶室样品3位于核聚变靶室4中，激发道毛细管X光透镜2设置于样品分析的激发道。探测道毛细管X光透镜5设置于样品分析的探测道，用于收集会聚带有靶室样品3特征信息的X射线信号。
其中，探测道毛细管X光透镜5的入口焦斑与激发道毛细管X光透镜2的出口焦斑重合，形成位于核聚变靶室4中的共聚焦区7。X射线探测器6设置于探测道毛细管X光透镜5的出口端一侧，用于探测带有靶室样品3特征信息的X射线信号。
需要指出的是，上述实施例中，样品分析的激发道是指靶室样品3和X射线光源1之间的光路，即用X射线激发靶室样品3的特征信息的光路通道。样品分析的探测道是指靶室样品3和X射线探测器6之间的光路，即用于接收带有靶室样品3特征信息的X射线信号的光路通道。其中，样品分析的激发道与探测道之间夹角可根据实际需要进行设置及调节。例如：如图1所示，样品分析的激发道与探测道可成近于90°的夹角，以便于激发、探测靶室样品3的特征信息。
上述实施例中，核聚变靶室的原位在线检测装置利用毛细管X光透镜共聚焦技术原位检测核聚变靶室中样品的性质，激发道毛细管X光透镜2和探测道毛细管X光透镜5具有高功率密度增益，形成位于核聚变靶室4中的共聚焦区7，可以高效准确地对核聚变靶室内的燃料和等离子体性质进行原位分析。其中，毛细管X光透镜不仅造价低廉，可以广泛应用，而且X射线共聚焦技术为一种对样品进行三维无损分析的独特技术，可以穿透核聚变靶室的外壳，直接准确地对核聚变靶室内的样品性质和状态进行原位分析，例如，对靶室内的燃料性质、等离子体的形成过程、等离子体的密度分布和等离子体中重离子杂质的存在情况进行原位分析。
这里，为便于进一步认识实现共聚焦的上述两种毛细管X光透镜，对激发道毛细管X光透镜2和探测道毛细管X光透镜5的物理参量和几何参量进行说明：
首先需要说明的是，上述X光透镜的物理参量主要包括毛细管X光透镜的出口焦斑和入口焦斑，几何参量主要包括入口端直径、出口端直径、透镜长度等。其中，毛细管X光透镜只能收集的来自一定区域内符合全反射条件的X射线，这样的一定区域即为毛细管X光透镜的入口焦斑，毛细管X光透镜将发散的X射线会聚后形成出口焦斑。
参照图2，其为激发道毛细管X光透镜的主体结构示意图。激发道毛细管X光透镜2的几何参量包括入口端直径d1、出口端直径d2以及透镜长度L1。参照图3，其为探测道毛细管X光透镜的主体结构示意图。探测道毛细管X光透镜5的几何参量有：入口端直径d3、出口端直径d4以及透镜长度L2。
作为一种可选的实施方式，激发道毛细管X光透镜2和探测道毛细管X光透镜5出口焦斑和入口焦斑的直径范围可为0.05-7000微米，透镜长度范围可为2-500毫米，入口端直径范围可为2-30毫米，出口端直径范围可为2-40毫米，适用X射线的能量范围可为3-100keV。
需要说明的是，在激发道毛细管X光透镜2和探测道毛细管X光透镜5的一个共聚焦组合中，二者适用X射线的能量范围基本一样，探测道透镜入口焦斑和激发道透镜的出口焦斑直径大概相等。
例如：激发道毛细管X光透镜2的参量可选用如下数据：出口焦斑的直径为40微米，长度为5毫米，入口端直径为3毫米，毛细管X光透镜的出口端直径为10毫米，适用X射线的能量范围为6-20keV。
相应地，探测道的毛细管X光透镜5的参量可选用如下数据：入口焦斑的直径为42微米，长度为4毫米，入口端直径为4毫米，毛细管X光透镜的出口端直径为12毫米，适用X射线的能量范围为6-20keV。
又如：激发道毛细管X光透镜2的参量可选用如下数据：出口焦斑的直径为1000微米，长度为20毫米，入口端直径为10毫米，毛细管X光透镜的出口端直径为30毫米，适用X射线的能量范围为30-50keV。
相应地，探测道的毛细管X光透镜5的参量可选用如下数据：入口焦斑的直径为1000微米，长度为40毫米，入口端直径为14毫米，毛细管X光透镜的出口端直径为20毫米，适用X射线的能量范围为30-50keV。
再如：激发道毛细管X光透镜2的参量可选用如下数据：出口焦斑的直径为2000微米，长度为340毫米，入口端直径为23毫米，毛细管X光透镜的出口端直径为25毫米，适用X射线的能量范围为60-90keV。
相应地，探测道毛细管X光透镜5的参量可选用如下数据：入口焦斑的直径为2000微米，透镜长度为400毫米，入口端直径为20毫米，毛细管X光透镜的出口端直径为29毫米，适用X射线的能量范围为60-90keV。
在一可选实施例中，激发道毛细管X光透镜2和探测道毛细管X光透镜5可为拉丝炉拉制的单毛细管透镜，单毛细管透镜为玻璃或金属材质的中空圆形管体，单毛细管透镜的中空管内壁上全反射X射线。激发道毛细管X光透镜2和探测道毛细管X光透镜5为没有支撑的单孔或者多孔固体，在沿各自长度方向上的外形根据实际需要可以为锥形面段、抛物线型面段或者其它二次曲面段。
参照图4，其为激发道或探测道毛细管X光透镜沿垂直于其中心对称轴线的剖面示意图。上述实施例中，这些毛细管X光透镜可为单根毛细管，单毛细管的截面为圆形，如图4所示，黑色圆环代表单毛细管的管壁w，中间的白色部分为中空部分e，是X射线穿过单毛细管的通道。
另外需要指出，上述实施例中，X射线探测器6用于探测来自共聚焦区样品对应的X射线信号，X射线探测器6可以是空间分辨探测器，其空间分辨范围为1-100微米。或者，可选地，X射线探测器6也可以能量分辨探测器，其能量分辨的范围为100-200eV。
与现有技术比较，本发明上述各实施例具有如下优点：
本发明的核聚变靶室的原位在线检测装置中，激发道毛细管X光透镜和探测道毛细管X光透镜具有高功率密度增益，利用毛细管X光透镜共聚焦技术形成位于核聚变靶室中的共聚焦区，直接对核聚变靶室内的样品进行高效准确地的原位检测。本发明的核聚变靶室的原位在线检测装置采用的共聚焦技术，相对于非共聚焦X射线分析技术，不受核聚变靶室壳的影响，可以对靶室内燃料或者等离子进行原位在线准确分析。此外，毛细管X光透镜具有高功率密度增益，可提高分析效率和降低探测限，使得毛细管X光透镜共聚焦技术可以高效检测到低元素含量的核聚变靶室中的样品性质和状态。
实施例二
上述实施例一对核聚变靶室的原位在线检测装置进行了举例说明，下面对核聚变靶室的原位在线分析装置进行说明。
本实施例中，该核聚变靶室的原位在线分析装置包括：上述任意一个实施例提出的核聚变靶室的原位在线检测装置、以及分析处理装置。其中，分析处理装置与X射线探测器6连接，用于从X射线探测器6探测到的信号中提取具有靶室样品3的指纹特征的X射线信号，并进行三维无损原位在线分析获取靶室样品3的相关特征信息。
本实施例中，X射线光源1发出的X射线束被激发道毛细管X光透镜2收集和会聚形成其出口焦斑，该出口焦斑和探测道毛细管X光透镜5的入口焦斑重合形成共聚焦区7。靶室样品3处在核聚变靶室4中，共聚焦区7位于靶室样品3处，靶室样品3对应的X射线信号被探测道毛细管X光透镜5收集会聚后到达X射线探测器6。X射线探测器6探测到的信号用于靶室样品3的分析。
这样，当把上述共聚焦技术中的共聚焦区放到核聚变靶室中的燃料或者等离子体所在处，X射线探测器6探测来自共聚焦区7处靶室样品3对应的X射线信号后，分析处理装置则可通过分析这些燃料或者等离子对应的具有指纹特征的X射线信号，对核聚变靶室中的燃料或者等离子体进行原位在线分析。
另外需要指出，上述实施例中，靶室样品3可为核聚变靶室4内的燃料。靶室样品3的相关特征信息包括燃料的成分、结构、密度及形貌。
此外，靶室样品3也可为核聚变靶室4内的等离子体。此时，靶室样品3的相关特征信息包括：预加热等离子体的形成过程、等离子体的密度分度、等离子体的温度、等离子体温度随时间变化的相关信息、以及等离子体中重离子杂质的存在情况。
上述实施例中，核聚变靶室的原位在线检测装置利用毛细管X光透镜共聚焦技术原位检测核聚变靶室中样品的性质，可以穿透核聚变靶室的外壳直接、高效准确地对核聚变靶室内的燃料和等离子体性质进行三维无损的原位分析，如准确获取靶室内的燃料性质、等离子体的形成过程、等离子体的密度分布和等离子体中重离子杂质的存在情况等信息。
另外，相对于非共聚焦X射线分析技术，上述实施例的毛细管X光透镜共聚焦技术不受核聚变靶室壳的影响，可以对靶室内燃料或者等离子进行原位在线准确的分析。此外，相对于常用的X射线准直系统，毛细管X光透镜具有高功率密度增益，可提高分析效率和降低探测限，从而使得毛细管X光透镜共聚焦技术可以高效分析低元素含量的燃料或等离子体。特别值得一提的是，毛细管X光透镜造价低廉，从而使得毛细管共聚焦技术可以广泛应用到核聚变研究中。
实施例三
另外，本发明实施例还提供了一种核聚变靶室，核聚变靶室设置有前述任一种原位在线分析装置。
由于上述任一种原位在线分析装置具有上述技术效果，因此，设有该原位在线分析装置的核聚变靶室也应具备相应的技术效果，其具体实施过程与上述实施例类似，兹不赘述。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例中的分析处理装置可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。所述存储装置为非易失性存储器，如：ROM/RAM、闪存、磁碟、光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种核聚变靶室的原位在线检测装置，其特征在于，包括：
X射线光源(1)；
激发道毛细管X光透镜(2)，其入口焦斑处设置所述X射线光源(1)，用于会聚所述X射线光源(1)发射的X射线并得到用于照射靶室样品(3)的出口焦斑；其中，所述靶室样品(3)位于核聚变靶室(4)中，所述激发道毛细管X光透镜(2)设置于样品分析的激发道；
探测道毛细管X光透镜(5)，设置于样品分析的探测道，用于收集会聚带有所述靶室样品(3)特征信息的X射线信号；所述探测道毛细管X光透镜(5)的入口焦斑与所述激发道毛细管X光透镜(2)的出口焦斑重合，形成位于所述核聚变靶室(4)中的共聚焦区(7)；
X射线探测器(6)，设置于所述探测道毛细管X光透镜(5)的出口端一侧，用于探测带有所述靶室样品(3)特征信息的X射线信号；
其中：
所述激发道毛细管X光透镜(2)的参量选用如下数据：出口焦斑的直径为40微米，透镜长度为5毫米，入口端直径为3毫米，出口端直径为10毫米，适用X射线的能量范围为6-20keV；相应地，所述探测道毛细管X光透镜(5)的参量选用如下数据：入口焦斑的直径为42微米，透镜长度为4毫米，入口端直径为4毫米，出口端直径为12毫米，适用X射线的能量范围为6-20keV；
或者，
所述激发道毛细管X光透镜(2)的参量选用如下数据：出口焦斑的直径为1000微米，透镜长度为20毫米，入口端直径为10毫米，出口端直径为30毫米，适用X射线的能量范围为30-50keV；相应地，所述探测道毛细管X光透镜(5)的参量选用如下数据：入口焦斑的直径为1000微米，透镜长度为40毫米，入口端直径为14毫米，出口端直径为20毫米，适用X射线的能量范围为30-50keV；
或者，
所述激发道毛细管X光透镜(2)的参量选用如下数据：出口焦斑的直径为2000微米，透镜长度为340毫米，入口端直径为23毫米，出口端直径为25毫米，适用X射线的能量范围为60-90keV；相应地，所述探测道毛细管X光透镜(5)的参量选用如下数据：入口焦斑的直径为2000微米，透镜长度为400毫米，入口端直径为20毫米，出口端直径为29毫米，适用X射线的能量范围为60-90keV。
2.根据权利要求1所述的核聚变靶室的原位在线检测装置，其特征在于，所述激发道毛细管X光透镜(2)和所述探测道毛细管X光透镜(5)为拉丝炉拉制的单毛细管透镜，所述单毛细管透镜为玻璃或金属材质的中空圆形管体，所述单毛细管透镜的中空管内壁上全反射X射线。
3.根据权利要求2所述的核聚变靶室的原位在线检测装置，其特征在于，所述激发道毛细管X光透镜(2)和所述探测道毛细管X光透镜(5)在沿各自长度方向上的外形为锥形面段、抛物线型面段或者其它二次曲面段。
4.根据权利要求3所述的核聚变靶室的原位在线检测装置，其特征在于：
所述X射线探测器(6)为空间分辨探测器，空间分辨范围为1-100微米；或者，
所述X射线探测器(6)为能量分辨探测器，能量分辨的范围为100-200eV。
5.一种核聚变靶室的原位在线分析装置，其特征在于，包括：
权利要求1至4任一项所述的核聚变靶室的原位在线检测装置；
分析处理装置，与所述X射线探测器(6)连接，用于从所述X射线探测器(6)探测到的信号中提取具有所述靶室样品(3)的指纹特征的X射线信号，并进行三维无损原位在线分析获取所述靶室样品(3)的相关特征信息。
6.根据权利要求5所述的核聚变靶室的原位在线分析装置，其特征在于：
所述靶室样品(3)为所述核聚变靶室(4)内的燃料；
所述靶室样品(3)的相关特征信息包括燃料的成分、结构、密度及形貌。
7.根据权利要求5所述的核聚变靶室的原位在线分析装置，其特征在于：
所述靶室样品(3)为所述核聚变靶室(4)内的等离子体；
所述靶室样品(3)的相关特征信息包括：预加热等离子体的形成过程、等离子体的密度分度、等离子体的温度、等离子体温度随时间变化的相关信息、以及等离子体中重离子杂质的存在情况。
8.一种核聚变靶室，其特征在于，设置有权利要求5至7任一项所述的原位在线分析装置。
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