CN110836693B - 一种测量杂质弹丸大小及注入频率的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种测量杂质弹丸大小及注入频率的方法及装置，其中，该方法将利用杂质弹丸对激光的遮挡，监测激光信号的变化，从而可以得出弹丸的直径及弹丸实时注入的频率。该方法后期数据处简单，且能够在实时给出可靠数据，后期可以将该数据作为杂质弹丸触发的反馈信号，对弹丸实施反馈注入，由此达到注入频率均一的目的。同时对杂质弹丸注入无任何附加影响、实现简单、操作步骤少，易于在聚变装置中的推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及聚变技术领域，尤其涉及一种测量杂质弹丸大小及注入频率的装置及方法。
背景技术
在利用低Z杂质弹丸(如毫米量级的球形锂弹丸、碳弹丸等)触发等离子体边界局域模(ELM)时，需要对弹丸的尺寸及弹丸的注入频率进行测量。传统的方法是利用高速相机对注入等离子体中的弹丸进行记录，再根据弹丸在某一帧中所成像分析出弹丸的尺寸，并根据弹丸注入的个数及对应时间计算得出弹丸注入的频率，由于高速相机所存的数据量大，给后期数据处理带来极大的挑战，并且该方法也难以实时给出弹丸注入的频率。
发明内容
本发明目的是为了测量杂质弹丸的大小以及注入频率，以满足聚变物理实验的要求。针对上述的问题，本发明在注入导管的接口处加装一套激光系统，利用弹丸在注入过程中对激光的遮挡时间得出弹丸直径，并对弹丸遮挡的激光的次数及对应时间进行记录，便可以实时得出弹丸注入的频率。
该方法数据处理简单、且可以做到实时处理，不会杂质注入过程产生任何干扰，操作简单、可靠，实现了弹丸尺寸及注入频率的同时测量，能为聚变中杂质弹丸注入研究提供可靠的数据支撑。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种测量杂质弹丸大小及注入频率的方法，包括有两个杂质注入导管、激光通路系统、数据信号分析系统；
所述方法具体包括以下步骤：
将杂质弹丸注入导管尺寸设计为与弹丸直径同一量级，以确保弹丸为单排注入，同时在两注入导管的接口处留有一预订宽度的缝隙，所述缝隙宽度小于杂质弹丸直径；
在缝隙两侧安装激光通路，其中一侧为激光发生器，用光纤与装有第一凸透镜的第一金属筒相连，另一侧为激光接收器，并用装有第二凸透镜的第二金属筒相连，在弹丸坠落时会对激光有遮挡，且遮挡时间长度与弹丸直径成正相关，对激光强弱信号进行记录测量出弹丸直径数据，同时对激光信号的进行频域分析，实时测量粗弹丸注入的频率。
进一步的，所述的激光器为光纤耦合LED，波长为530nm；所述的激光接收器为可调增益的硅基光电探测器，探测波长范围为450-700nm。
进一步的，所述的光纤分为直径均为0.2mm。
进一步的，所述激光通路系统包括有第一、第二凸透镜，所述凸透镜直径为φ1in，焦距为1/2in。
进一步的，所述的第一、第二金属管为内螺纹结构，化转动为平动，以达到调节长度进而改变第一、第二凸透镜位置的目的。
进一步的，所述的导管之间的缝隙应小于杂质弹丸直径，无杂质通过时激光信号强度在0.3-0.5V的量级。
本发明还提出一种测量杂质弹丸大小及注入频率的装置，包括：
杂质注入导管、激光通路系统、数据信号分析系统；
所述杂质注入导管包括第一导管和第二导管；
所述第一导管、第二导管用内部有螺纹的金属螺纹管连接，设置第一导管与第二导管之间的距离，从而调节第一导管、第二导管的缝隙宽度；
所述激光通路系统包括：在缝隙两侧安装激光通路，其中一侧为激光发生器，另一侧为激光接收器；
所述数据信号分析系统包括示波器；
将激光发生器与第一金属筒连接，激光接收器的接收端与第二金属筒连接，将激光接收器电信号输出端与示波器连接。
进一步的，第一导管与第二导管外部分别设置有外螺纹，两导管的直径为φ1/4in，即直径为四分之一英尺。
进一步的，杂质弹丸注入导管尺寸设计为与弹丸直径同一量级，以确保弹丸为单排注入，同时在两注入导管的接口处留有一预定宽度的缝隙，所述缝隙宽度小于杂质弹丸直径。
优选的，所述的杂质弹丸第一、第二导管为φ3mm。
所述的杂质弹丸直径在φ0.5-1mm。
所述的激光发生器为THORLABS公司的光线耦合LED，型号为M530F2，波长为530nm。激光经发生器前端直径为φ1in，焦距为1/2in第一凸透镜折射进入另一侧的激光接收器前端的第二凸透镜。
所述的两杂质弹丸导管之间的缝隙为0.1mm。
所述的激光接收器为THORLABS公司的硅基光电探测器，型号为PDA36A，可调节增益。接收器的前端装有第二凸透镜为焦距为1/2in，直径为φ1in。
本发明的优点是：提供了一种聚变装置中对注入杂质弹丸大小及注入频率进行精确测量的方法，该方法将利用杂质弹丸对激光的遮挡，由此监测激光信号的变化，从而可以得出弹丸的直径及弹丸实时注入的频率。该方法后期数据处简单，且能够在实时给出可靠数据，后期可以将该数据作为杂质弹丸触发的反馈信号，对弹丸实施反馈注入，由此达到注入频率均一的目的。同时对杂质弹丸注入无任何附加影响、实现简单、操作步骤少，易于在聚变装置中的推广应用。
附图说明
图1是杂质弹丸激光光路示意图；
图2是杂质注入时激光信号图；
图3是杂质注入频率实时频图；
其中，附图标记如下所示：1-杂质弹丸存储仓；2-第一导管；3-杂质弹丸；4-第一金属筒；5-第二金属筒；6-激光发生器；7-激光接受器；8-示波器；9-第二导管；10-第一凸透镜；11-第二凸透镜；12-金属螺纹管。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
参考图1所示，本发明提出一种测量杂质弹丸大小及注入频率的装置及方法，其中，所述的方法包括如下步骤：
1)将第一导管2、第二导管9用内部有螺纹的金属螺纹管12连接，通过螺纹连接可设置第一导管2与第二导管9之间的距离，从而调节第一导管2、第二导管9的缝隙宽度。第一导管2与第二导管9外部分别设置有外螺纹，两者的直径为φ1/4in，即直径为四分之一英尺。
2)将可调长度的第一金属筒4、第二金属筒5安装在金属螺纹管12两侧，且正对第一导管2、第二导管9的缝隙。
3)将激光发生器6与第一金属筒4连接，激光接收器7的接受端与第二金属筒5连接，将激光接收器电信号输出端与示波器8连接。
4)打开激光发生器6，调节增益为10倍，调节第一金属筒4、第二金属筒5，使得第一凸透镜10与第二凸透镜11之间的光为一束平行光。
5)打开示波器8，调节第二导管9，按照激光接收电平与缝隙大小的标定，使得第二导管9与第一导管2之间的缝隙在0.1mm左右，此时示波器上显示激光信号最大电平为0.35V左右。
6)设置示波器，准备捕捉杂质弹丸3坠落时的信号。
7)设置弹丸注入的触发信号，使得在杂质弹丸存储仓1中的杂质弹丸沿导管坠落。示波器8触发记录杂质弹丸坠落的信号。
8)杂质弹丸坠落时激光信号如图2所示，由于在弹丸在真空环境中，因此可以认为每个弹丸刚开始遮挡激光束的速度相等，因此信号每一次骤降对应一个杂质弹丸，且遮挡时间与杂质直径相对应，通过对遮挡时间与实际弹丸直径进行标定，便可以在实际注入实验中，通过读出遮挡时间得出注入弹丸直径的大小；
对所采集到的激光信号进行时频分析，便可以得到弹丸实时注入的频率，如图3所示，需要注意的是，该处的频率是相邻两个弹丸注入间隔时间的倒数，可以实时的反应出弹丸个数注入的快慢。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
Claims (7)
1.一种测量杂质弹丸大小及注入频率的方法，包括有两个杂质注入导管、激光通路系统、数据信号分析系统；
其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
将杂质弹丸注入导管尺寸设计为与弹丸直径同一量级，以确保弹丸为单排注入，同时在两注入导管的接口处留有一预订宽度的缝隙，所述缝隙宽度小于杂质弹丸直径；所述的导管之间的缝隙小于杂质弹丸直径，无杂质通过时激光信号强度在0.3-0.5V的量级；
在缝隙两侧安装激光通路，其中一侧为激光发生器，用光纤与装有第一凸透镜的第一金属筒相连，另一侧为激光接收器，并用装有第二凸透镜的第二金属筒相连，在弹丸坠落时会对激光有遮挡，且遮挡时间长度与弹丸直径成正相关，对激光强弱信号进行记录测量出弹丸直径数据，同时对激光信号的进行频域分析，实时测量粗弹丸注入的频率，该处的频率是相邻两个弹丸注入间隔时间的倒数，实时的反应出弹丸个数注入的快慢。
2.根据权利要求1所述的测量杂质弹丸大小及注入频率的方法，其特征在于：
所述的激光器为光纤耦合LED，波长为530nm；所述的激光接收器为可调增益的硅基光电探测器，探测波长范围为450-700nm。
3.根据权利要求1所述的测量杂质弹丸大小及注入频率的方法，其特征在于，所述的光纤分为直径均为0.2mm。
4. 根据权利要求1所述的测量杂质弹丸大小及注入频率的方法，其特征在于，所述激光通路系统包括有第一、第二凸透镜，所述凸透镜直径为φ1in，焦距为1/2 in。
5.根据权利要求1所述的测量杂质弹丸大小及注入频率的方法，其特征在于，所述的第一、第二金属管为内螺纹结构，化转动为平动，以达到调节长度进而改变第一、第二凸透镜位置的目的。
6.一种测量杂质弹丸大小及注入频率的装置，其特征在于，包括：
杂质注入导管、激光通路系统、数据信号分析系统；
所述杂质注入导管包括第一导管和第二导管；
杂质弹丸注入导管尺寸设计为与弹丸直径同一量级，以确保弹丸为单排注入，同时在两注入导管的接口处留有一预定宽度的缝隙，所述缝隙宽度小于杂质弹丸直径；所述的导管之间的缝隙小于杂质弹丸直径，无杂质通过时激光信号强度在0.3-0.5V的量级；所述第一导管、第二导管用内部有螺纹的金属螺纹管连接，设置第一导管与第二导管之间的距离，从而调节第一导管、第二导管的缝隙宽度；
所述激光通路系统包括：在缝隙两侧安装激光通路，其中一侧为激光发生器，另一侧为激光接收器；
所述数据信号分析系统包括示波器；
将激光发生器与第一金属筒连接，激光接收器的接收端与第二金属筒连接，将激光接收器电信号输出端与示波器连接；
该处的频率是相邻两个弹丸注入间隔时间的倒数，实时的反应出弹丸个数注入的快慢。
7.根据权利要求6所述的一种测量杂质弹丸大小及注入频率的装置，其特征在于：
第一导管与第二导管外部分别设置有外螺纹，两导管的直径为φ1/4in，即直径为四分之一英尺。
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