CN113916864B - 一种icf靶内d2燃料气体拉曼光谱定量分析的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种ICF靶内D2燃料气体拉曼光谱定量分析的方法，包括：步骤一、基于拉曼光谱仪对ICF靶内D2燃料气体进行光谱采集；步骤二、对ICF靶内D2燃料气体进行特征峰面积的数据处理，通过选取合适范围的拉曼光谱，确定峰谱范围后进行峰位拟合，得出特征峰面积；步骤三、推导计算得到样品靶内D2燃料气体压强。本发明基于拉曼光谱原理，结合ICF靶自身特点，设计了ICF靶内D2气体检测光路，可实现30min内完成ICF靶内D2气体定量分析；其次，根据拉曼定量测量气体压强的基本原理，设计了ICF靶内D2气体定量检测方法，设计了完整的ICF靶内D2气体定量检测方法流程。
Description
技术领域
本发明涉及ICF靶性能测试领域，具体为一种ICF靶内D2燃料气体拉曼光谱定量分析的方法。
背景技术
在惯性约束聚变(ICF)物理实验中，所使用的惯性约束聚变靶(ICF靶)内部靶丸通常需要注入一定量的燃料气体以及一定比例的诊断气体，如Ne、Ar等。氘氚混合燃料气体是追求高中子产额实验时的首选，但在常规的聚变一般规律性研究中，使用无放射性的纯氘氘(D2)气体主要是为了降低充气风险和实验成本。靶丸燃料气体D2含量是推算ICF反应效率的重要参量，需要在打靶实验前精确测量。检测有三个难点：(1)靶丸直径小，气体含量少，要求检测仪器具有比较高的检测极限；(2)由于靶丸的特殊性，一般气体检测仪没有合适的气体进样系统；(3)为了实现物理实验参数测量的精密化，必须准确给出靶丸气体中各气体的准确含量及比例，需要进行定量检测，要求气体分析设备具备精确的校准系统。
在现有检测方法中，压碎法和质谱法是破坏性分析方法；低能X射线光谱法只能测量充有氚的玻璃聚变靶丸，不能测量塑料聚变靶丸；低温露点法是一种较好的非破坏性分析方法，但不适用于透明度不高的塑料三层球，且测量仪器的准备时间长达3小时左右，无法快速分析；干涉条纹移动法主要针对可见光透明靶丸。拉曼光谱法适合分析各种具有拉曼活性的样品，如双原子分子气体等，该方法仅须几分钟即可获得一幅高质量的拉曼光谱，且大多数样品无须制样，由于这些优点，拉曼光谱法有望成为一种行之有效的聚变靶球内燃料气体非破坏性分析方法。拉曼效应是光照射到介质时由于入射光与分子运动相互作用，引起散射光的频率发生变化的现象。拉曼散射光与入射光的频率(能量)差异与分子的振动、转动能级相关，通过分析拉曼散射光谱可以得出物质分子特征结构的信息。虽然目前激光测试技术发展较为迅速，但相比之下对于激发拉曼散射法的研究还较为欠缺，尤其是对气体浓度的定量测量方面。主要是因为拉曼信号较弱，需要高精度的设备支持。国外己经有一些实验室和科研机构做了相关的研究，国内在这方面的研究相对较少。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种ICF靶内D2燃料气体拉曼光谱定量分析的方法，包括：
步骤一、基于拉曼光谱仪对ICF靶内D2燃料气体进行光谱采集；
步骤二、对ICF靶内D2燃料气体进行特征峰面积的数据处理，通过选取合适范围的拉曼光谱，确定峰谱范围后进行峰位拟合，得出特征峰面积；
步骤三、推导计算得到样品靶内D2燃料气体压强；
优选的是，所述步骤一中，打开电脑和拉曼光谱仪电源，并使用硅片对拉曼光谱仪进行设备校正；将ICF靶放在样品台上，依次使用10X、50X物镜寻找ICF靶内部靶丸顶点，随后聚焦到靶丸中心点，对靶丸完成聚焦后，设置实验参数后进行检测；
优选的是，所述步骤二中，由于ICF靶内D2气体S0级的最强特征谱线均处于一个较小的波数区间，即150cm-1～600cm-1，而415.67cm-1处的谱线与其他谱线相隔较远，谱线强度也较大，特征峰面积较易得到，因此选择415.67cm-1处的谱线作为定量分析的依据；根据选定的谱线，采用LabSpec-6软件，通过高斯格伦兹混合函数进行峰位拟合，取多次计算的平均值，得到特征峰面积；
优选的是，所述步骤三中，选用多个不同压强的ICF靶作为本次分析的标定靶，选用另一个ICF靶作为本次测定的样品靶；由于特征峰面积与ICF靶内D2气压线性相关，可以得到：
式中：P样为样品靶内D2气压；A样为样品靶特征峰面积；PS为标定靶内D2气压；AS为标定靶特征峰面积；根据步骤二的方法对多个标定靶内部D2气压重复测定多次，将得到的多个PS/AS数据采用线性最小二乘法的拟合曲线作为本次分析的标准曲线，根据线性方程：
Y＝b1x+b0
式中：Y为D2气体压强，atm；x为特征峰面积,a.u.·cm-1；b1为斜率；b0为截距；可以得到标准曲线，再根据步骤二的方法，测得样品靶特征峰面积A样，带入公式计算得到样品靶内D2气压P样。
本发明至少包括以下有益效果：
激光拉曼散射法是一种精确且先进的测试手段，本发明着重其对ICF靶内对D2气体测量应用方面的研究，提出了一种基于激光拉曼散射的ICF靶内D2气体压强的测量方法，该方法克服了过去不能直接对D2气体进行非破坏测量的困难，可以显著提高了测量效率与精度，通过标定可以方便应用于打靶零时刻测定靶内的D2气体压强，实现总量监测。本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的ICF靶内D2燃料气体压强定量分析流程图；
图2为本发明的ICF靶内D2燃料气体定量检测系统光学结构图；
图3为本发明的其中一种典型ICF靶示意图
图4为本发明的另外一种典型ICF靶示意图
图5为本发明的10X物镜下靶丸顶点对焦示意图；
图6为本发明的50X物镜下靶丸顶点对焦示意图；
图7为本发明的50X物镜下靶丸中心对焦示意图；
图8为本发明的ICF靶内D2燃料气体的转动跃迁拉曼谱图；
图9为本发明的ICF靶内D2燃料气体压强与特征峰面积的拟合曲线图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1：
一种ICF靶内D2燃料气体拉曼光谱定量分析的方法，包括以下步骤：
步骤一、基于拉曼光谱仪对ICF靶内D2燃料气体进行光谱采集(如图1、图2)；其过程为：打开电脑和拉曼光谱仪电源，并使用硅片对拉曼光谱仪进行设备校正；将ICF靶放在样品台上，依次使用10X、50X物镜寻找ICF靶内部靶丸1顶点(如图5、图6)，随后聚焦到靶丸中心点(如图7)，对靶丸完成聚焦后，设置实验参数(如表1)后进行检测；
表1
| 参数名称 | 设置范围 |
| Rang(光谱范围) | 100-430 |
| Acq.time(积分时间) | 50 |
| Accumulation(循环次数) | 5 |
| Hole(孔洞数) | 100 |
| Objective(物镜倍数) | X50 |
| Grating(光栅密度) | 1800 |
| NDFiter(ND滤镜) | 100％ |
| Laser(激光波长) | 633nm |
步骤二、对ICF靶内D2燃料气体进行特征峰面积的数据处理，通过选取合适范围的拉曼光谱，确定峰谱范围后进行峰位拟合，得出特征峰面积；其过程为：由于ICF靶内D2气体S0级的最强特征谱线均处于一个较小的波数区间，即150cm-1～600cm-1，而415.67cm-1处的谱线与其他谱线相隔较远，谱线强度也较大，特征峰面积较易得到，因此选择415.67cm-1处的谱线作为定量分析的依据(如图8)；选定的谱线，采用LabSpec-6软件，通过高斯格伦兹混合函数进行峰位拟合，取多次计算的平均值，得到特征峰面积；
步骤三、推导计算得到样品靶内D2燃料气体压强；其过程为：选用多个不同压强的ICF靶作为本次分析的标定靶，选用另一个ICF靶作为本次测定的样品靶；由于特征峰面积与ICF靶内D2气压线性相关，可以得到：
式中：P样为样品靶内D2气压；A样为样品靶特征峰面积；PS为标定靶内D2气压；AS为标定靶特征峰面积；根据步骤二的方法对多个标定靶内部D2气压重复测定5次，将得到的多个PS/AS数据(如表2)采用线性最小二乘法的拟合曲线作为本次分析的标准曲线(如图9)，根据线性方程：
Y＝b1x+b0；
式中：Y为D2气体压强，atm；x为特征峰面积,a.u.·cm-1；b1为斜率；b0为截距；可以得到：y＝270.31x，再根据步骤二的方法，测得样品靶的特征峰面积A样为1891.98(如表3)，带入公式计算得到样品靶内D2气压P样为7.0atm。
表2
| 序号 | 标定靶1 | 标定靶2 | 标定靶3 | 标定靶4 | 标定靶5 |
| Yj/atm | 25.5 | 14.5 | 12.5 | 8 | 6.2 |
| x1 | 7014.5 | 3443.05 | 3215.95 | 2205.2 | 1884.6 |
| x2 | 7100.4 | 3926.1 | 3220.2 | 2194.3 | 1672.95 |
| x3 | 6809.25 | 3930.55 | 3251.35 | 2191.3 | 1642.35 |
| x4 | 7205.2 | 4012.45 | 3271.45 | 2161.45 | 1629.9 |
| x5 | 6769.1 | 4015.65 | 3277.8 | 2161.35 | 1622.2 |
| x | 6979.69 | 3865.56 | 3247.35 | 2182.72 | 1690.4 |
表3
| 检测次数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 平均峰面积 |
| 拉曼峰面积 | 1895.7 | 1885.1 | 1895.85 | 1892.5 | 1890.75 | 1891.98 |
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (3)
1.一种ICF靶内D2燃料气体拉曼光谱定量分析的方法，其特征在于，包括：步骤一、基于拉曼光谱仪对ICF靶内D2燃料气体进行光谱采集；
步骤二、对ICF靶内D2燃料气体进行特征峰面积的数据处理，通过选取在100-430 cm-1内的拉曼光谱，确定峰谱范围后进行峰位拟合，得出特征峰面积；
步骤三、推导计算得到样品靶内D2燃料气体压强；
所述步骤三中，其过程为：选用多个不同压强的ICF靶作为本次分析的标定靶，选用另一个ICF靶作为本次测定的样品靶；由于特征峰面积与ICF靶内D2气压线性相关，可以得到：
P_样=A_样/A_s ×P_s
式中：P样为样品靶内D2气压；A样为样品靶特征峰面积；PS为标定靶内D2气压；AS为标定靶特征峰面积；根据步骤二的方法对多个标定靶内部D2气压重复测定多次，将得到的多个PS/AS数据采用线性最小二乘法的拟合曲线作为本次分析的标准曲线，根据线性方程：
Y=b_1 x+b_0；
式中：Y为D2气体压强，atm；x为特征峰面积, a.u.·cm-1；b1为斜率；b0为截距；可以得到标准曲线，根据步骤二的方法，测得样品靶特征峰面积A样，带入公式计算得到样品靶内D2气压P样。
2.如权利要求1所述的一种ICF靶内D2燃料气体拉曼光谱定量分析的方法，其特征在于，所述步骤一中，其过程为：打开电脑和拉曼光谱仪电源，并使用硅片对拉曼光谱仪进行设备校正；将ICF靶放在样品台上，依次使用10X、50X物镜寻找ICF靶内部靶丸顶点，随后聚焦到靶丸中心点，对靶丸完成聚焦后，设置实验参数后进行检测。
3.如权利要求1所述的一种ICF靶内D2燃料气体拉曼光谱定量分析的方法，其特征在于，所述步骤二中，其过程为：由于ICF靶内D2气体S0级的最强特征谱线均处于一个较小的波数区间，即150cm-1～600cm-1，而415.67 cm-1处的谱线与其他谱线相隔较远，谱线强度也较大，特征峰面积较易得到，因此选择415.67 cm-1处的谱线作为定量分析的依据；根据选定的谱线，采用LabSpec-6软件，通过高斯格伦兹混合函数进行峰位拟合，取多次计算的平均值，得到特征峰面积。
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