CN115753615B - 托卡马克内壁激光诱导击穿光谱元素实时原位诊断系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于等离子体物理及应用科学研究领域，提出托卡马克内壁激光诱导击穿光谱元素实时原位诊断系统。分束片将激光与信号收集光同轴，激光初级扩束系统位于激光器与分束片之间，用于调节激光聚焦光斑大小。二级扩束系统位于分束片之后，用于改变激光和收集系统的焦距，使焦点始终位于托卡马克内壁表面。金属摆镜置于内窥镜筒内部并深入托卡马克真空室内部，通过无磁旋转台驱动摆镜角度变化，实现对托卡马克内壁的大范围实时原位元素测量。本发明的系统可以用托卡马克装置第一壁及偏滤器面向等离子体部件的大范围实时原位元素测量，并实现激光聚焦光斑大小与焦距独立调节，满足不同区域的壁形状和实验要求。

Description

托卡马克内壁激光诱导击穿光谱元素实时原位诊断系统
技术领域
本发明涉及等离子体物理及应用科学研究领域，尤其涉及托卡马克内壁激光诱导击穿光谱元素实时原位诊断系统。
背景技术
磁约束核聚变能具有清洁、安全、高效、无温室气体排放、燃料易获得等优势，被认为是解决人类能源问题的终极能源。托卡马克(tokamak)，俗称“人造太阳”，是发展最快、最有可能实现磁约束核聚变能的装置，然而制约托卡马克发展的最重要的因素之一是等离子体与壁材料相互作用(PWI)问题，由于PWI过程导致的壁材料刻蚀和沉积，会在第一壁及偏滤器等面向等离子体部件(plasma-facing components，PFCs)表面产生杂质、形成燃料滞留，威胁托卡马克装置的安全运行。
开展PFCs表面元素诊断测量是开展PWI研究的关键，然而传统的壁材料元素分析方法主要是基于各种离线测量手段对样品进行事后分析(post mortem analysis)，事后分析不仅无法获得壁元素的实时信息，还容易对壁PFCs造成污染，影响测量结果。此外，大型托卡马克装置PFCs通常采用模块化设计，体积较大，且具有主动水冷结构，难以拆卸进行事后分析。因此发展原位的壁材料元素诊断手段是开展托卡马克PWI研究，解决PWI问题，实现磁约束核聚变能的关键之一。
激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS)是一种激光烧蚀光谱元素分析技术，是一种极具潜力的托卡马克PFCs元素原位分析手段。然而受到托卡马克复杂工况环境(如远距离收集、超高真空环境、强电磁干扰等)限制，原位LIBS系统通常仅能对较小区域的PFCs进行测量或仅能在托卡马克放电间歇进行测量，实时原位获得PFCs表面大空间尺度的元素分布信息具有很大挑战，因此一种能够大范围实时原位激光诱导击穿光谱托卡马克壁元素诊断系统对进行PWI研究十分迫切。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有的托卡马克原位激光诱导击穿光谱系统测量区域较小，无法大范围覆盖面向等离子体部件，而机械臂移动方法无法实时测量等问题。提出一种托卡马克内壁激光诱导击穿光谱元素实时原位诊断系统，对托卡马克PFCs实现大范围元素空间分布原位测量。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种托卡马克内壁激光诱导击穿光谱元素实时原位诊断系统，包括激光器1、两个激光反射镜2、激光初级扩束系统3、分束片4、两个金属全反射镜5、二级扩束系统6、内窥镜筒7、光学石英窗口8、聚焦透镜9、金属摆镜10、无磁旋转台11、信号收集透镜12、光纤13和光谱仪14；激光器1一端布置倾斜的第一激光反射镜2，第二激光反射镜2与第一激光反射镜2呈轴对称布置；分束片4与第二激光反射镜2保持平行，二者间布置激光初级扩束系统3；第一金属全反射镜5、分束片4和信号收集透镜12依次布置，其中第一金属全反射镜5和分束片4呈轴对称布置；第二金属全反射镜5与第一金属全反射镜5间布置二级扩束系统6，第二金属全反射镜5与第一金属全反射镜5可以平行布置；第二金属全反射镜5的一侧为一端开口的内窥镜筒7；内窥镜筒7伸入托卡马克真空室；内窥镜筒7内从外到内依次布置有聚焦透镜9、金属摆镜10和无磁旋转台11；无磁旋转台11用于固定金属摆镜10；内窥镜筒7另一端部侧面安装光学石英窗口8，用于出射光信号至面向等离子体部件15表面；信号收集透镜12通过光纤13连接光谱仪14；激光初级扩束系统3包括一个负透镜和一个正透镜，二者间距独立调节；二级扩束系统6包括一个负透镜和一个正透镜，二者距离通过电动平台独立调节；
激光器1发出激光经过两个激光反射镜2反射后进入激光初级扩束系统3；调节初级扩束系统3中两透镜间距，改变激光发散角，调节激光聚焦光斑尺寸；扩束后的激光经分束片4反射和第一金属全反射镜5反射，进入二级扩束系统6；经过二级扩束系统6后的激光经第二金属全反射镜5反射后进入内窥镜筒7中，聚焦透镜9与二级扩束系统6同时构成激光的聚焦系统，通过调节二级扩束系统6的透镜间距改变焦距；金属摆镜10固定在无磁旋转台11上，在托卡马克磁场环境下进行角度调节，实现对不同区域面向等离子体部件15的扫描测量；聚焦后的激光烧蚀面向等离子体部件15表面，产生激光烧蚀等离子体，其所辐射的光被金属摆镜10收集，并与激光同轴原路传输至分束片4，通过分束片4分光，信号光透射，经过信号收集透镜12耦合至光纤13，光纤13将信号光传输至光谱仪14分析获得光谱信息。
所述激光器1为高功率脉冲激光器，脉宽为纳秒至飞秒量级，激光波长为1064nm。所述激光反射镜2用于反射激光，反射波段与激光波长匹配。所述分束片4反射激光、并透射光谱收集信号。所述金属全反射镜5同时反射激光波段及光谱收集信号波段。所述内窥镜筒7通过托卡马克法兰深入托卡马克真空室。所述金属摆镜10的角度通过无磁旋转台11调节，同时反射激光波段及光谱收集信号波段。所述无磁旋转台11可以在托卡马克强磁场工况下运行。所述信号收集透镜12收集光谱收集信号并耦合至光纤。
本发明与现有技术相比较具有以下优点：
本发明通过激光初级扩束系统与二级扩束系统，实现激光聚焦光斑大小与焦距独立调节。本发明的激光光路与信号收集光路同轴，通过分束片分光，信号稳定性好。通过摆镜摆角变化实现托卡马克PFCs不同区域扫描测量，具有稳定、分辨率高、移动范围大的特点。
附图说明
图1为托卡马克内壁激光诱导击穿光谱元素实时原位诊断系统结构示意图。
图中：1-激光器；2-激光反射镜；3-激光初级扩束系统；4-分束片；5-金属全反射镜；6-二级扩束系统；7-内窥镜筒；8-光学石英窗口；9-聚焦透镜；10-金属摆镜；11-无磁旋转台；12-信号收集透镜；13-光纤；14-光谱仪；15-面向等离子体部件。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进一步说明：
实施例1
本实施例公开了一种托卡马克内壁激光诱导击穿光谱元素实时原位诊断系统，该系统为内窥镜结构，如图1所示，包括：
激光器1发出激光经过激光反射镜2反射后进入激光初级扩束系统3，调节激光初级扩束系统3的透镜间距，改变激光发散角，调节激光聚焦光斑尺寸。
扩束后的激光经分束片4反射和金属全反射镜5反射，进入二级扩束系统6。当对不同位置PFCs进行空间分辨扫描测量时，壁表面到LIBS系统的距离可能发生变化，同步调节二级扩束系统6的透镜间距，改变激光和系统的焦距，使焦点始终位于PFCs表面。
经过二级扩束系统6后的激光经金属全反射镜5反射后进入内窥镜筒7中，内窥镜筒7伸入托卡马克内部，内窥镜筒7前端配有光学石英窗口8，内部装有聚焦透镜9和金属摆镜10，聚焦透镜9与二级扩束系统6同时构成激光的聚焦系统，并通过调节二级扩束系统6的透镜间距实现焦距的改变。金属摆镜10固定在无磁旋转台11上，可以在托卡马克磁场环境下进行高精度角度调节，实现对不同区域PFCs的扫描测量。
聚焦后的激光会烧蚀PFCs表面，并产生激光烧蚀等离子体，其所辐射的光被金属摆镜10收集，并与激光同轴传输至分束片4，并通过分束片4分光，信号光透射，经过信号收集透镜12耦合至光纤13，光纤13将信号光传输至光谱仪14分析获得光谱信息。

Claims (1)

1.一种托卡马克内壁激光诱导击穿光谱元素实时原位诊断系统，其特征在于，该托卡马克内壁激光诱导击穿光谱元素实时原位诊断系统包括激光器(1)、两个激光反射镜(2)、激光初级扩束系统(3)、分束片(4)、两个金属全反射镜(5)、二级扩束系统(6)、内窥镜筒(7)、光学石英窗口(8)、聚焦透镜(9)、金属摆镜(10)、无磁旋转台(11)、信号收集透镜(12)、光纤(13)和光谱仪(14)；激光器(1)一端布置倾斜的第一激光反射镜(2)，第二激光反射镜(2)与第一激光反射镜(2)呈轴对称布置；分束片(4)与第二激光反射镜(2)保持平行，二者间布置激光初级扩束系统(3)；第一金属全反射镜(5)、分束片(4)和信号收集透镜(12)依次布置，其中第一金属全反射镜(5)和分束片(4)呈轴对称布置；第二金属全反射镜(5)与第一金属全反射镜(5)间布置二级扩束系统(6)；第二金属全反射镜(5)的一侧为一端开口的内窥镜筒(7)；内窥镜筒(7)伸入托卡马克真空室；内窥镜筒(7)内从外到内依次布置有聚焦透镜(9)、金属摆镜(10)和无磁旋转台(11)；无磁旋转台(11)用于固定金属摆镜(10)；内窥镜筒(7)另一端部侧面安装光学石英窗口(8)，用于出射光信号至面向等离子体部件(15)表面；信号收集透镜(12)通过光纤(13)连接光谱仪(14)；激光初级扩束系统(3)包括一个负透镜和一个正透镜，二者间距独立调节；二级扩束系统(6)包括一个负透镜和一个正透镜，二者距离通过电动平台独立调节；
激光器(1)发出激光经过两个激光反射镜(2)反射后进入激光初级扩束系统(3)；调节初级扩束系统(3)中两透镜间距，改变激光发散角，调节激光聚焦光斑尺寸；扩束后的激光经分束片(4)反射和第一金属全反射镜(5)反射，进入二级扩束系统(6)；经过二级扩束系统(6)后的激光经第二金属全反射镜(5)反射后进入内窥镜筒(7)中，聚焦透镜(9)与二级扩束系统(6)同时构成激光的聚焦系统，通过调节二级扩束系统(6)的透镜间距改变焦距；
金属摆镜(10)固定在无磁旋转台(11)上，在托卡马克磁场环境下进行角度调节，实现对不同区域面向等离子体部件(15)的扫描测量；聚焦后的激光烧蚀面向等离子体部件(15)表面，产生激光烧蚀等离子体，其所辐射的光被金属摆镜(10)收集，并与激光同轴原路传输至分束片(4)，通过分束片(4)分光，信号光透射，经过信号收集透镜(12)耦合至光纤(13)，光纤(13)将信号光传输至光谱仪(14)分析获得光谱信息。
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