CN116864158A - 一种用于聚变装置真空室内部管道的远程检漏系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于聚变装置真空室内部管道的远程检漏系统及方法，聚变装置为全超导托卡马克聚变装置，系统包括：检漏模块；多自由度机械臂模块，设于真空室外部，用于安装所述检漏模块并在需要检漏时带动检漏模块伸入真空室内部进行移动扫描检漏；控制模块，用于远程控制检漏模块和多自由度机械臂模块，并获取检漏模块的检漏数据；信号处理模块，用于根据检漏数据判断是否发生泄漏以及确定泄漏位置，并将判断和确定结果发送至用户端。本发明实现了全超导托卡马克聚变装置真空室的远程检漏，提高了检漏工作人员的安全性以及检漏工作的效率。
Description
技术领域
本发明涉及核聚变反应装置检测技术领域，具体涉及一种用于聚变装置真空室内部管道的远程检漏系统及方法。
背景技术
随着科学技术的进步，某些用途的真空装置向大型化、高真空度的方向发展。在宇航模拟、国防科技、核电及高能物理等领域，许多真空容器容积高达数十个立方米，真空度可达到高真空甚至超高真空；同时，其内部组件错综复杂。检漏是真空获得的一个重要步骤，真空检漏最常用的方法是氦质谱法，使用喷枪向腔体表面喷吹氦气，氦检漏仪实时监测腔体内的氦气分压变化。对于危及人员安全的高危环境，或者使用常规方法无法及时定位到漏点的情况，此时常规的检漏方法无法适用。此外大型科学装置使用常规的氦检方法进行检漏，检漏的效率和精度也比较低。
EAST装置是我国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置，EAST装置的主机部分高11米，直径8米，重400吨，由超高真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦、支撑系统等六大部件组成。其实验运行需要有大规模低温氦制冷、大型高功率脉冲电源及其回路、大型超导体测试、大型计算机控制和数据采集处理、兆瓦级低杂波电流驱动和射频波加热、大型超高真空、以及多种先进诊断测量等系统支撑。在聚变装置真空室的制造、窗口设备安装及装置实验过程，由于真空室壳体材料的缺陷、窗口设备的安装偏差、实验中电磁力或等离子体破裂的影响会造成真空室本体及连接组件出现微小漏气点，这直接会影响聚变装置正常的等离子体放电实验，造成聚变装置停止运行。因而发展与运用有效的真空检漏系统与检漏方法是当前托卡马克等离子体工程研究的重点之一。
托卡马克真空室的内部泄漏的原因比较复杂，如第一壁上的微泄漏或偏滤器水冷管的漏水。在真空室发生泄漏后，定位泄漏是一项具有挑战性的工作。由于真空室体积大，泄漏发生在内部，工作人在破坏真空室真空环境后尝试用氮气施加正压或者使用氦质谱方法来寻找泄漏点，这些方法不仅过程繁琐而且非常耗时。此外，当托卡马克装置需要注入氚进行聚变反应时，由于氚的放射性，无法人工进行检漏工作。因此，需要一种通过人工远程操作的快速检漏方法来解决这一问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于聚变装置真空室内部管道的远程检漏系统及方法，用以解决现有检漏方法无法满足未来核聚变装置内部泄漏检测的新需求。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种用于聚变装置真空室内部管道的远程检漏系统，所述聚变装置为全超导托卡马克聚变装置，所述系统包括：
检漏模块；
多自由度机械臂模块，设于真空室外部，用于安装所述检漏模块并在需要检漏时带动检漏模块伸入真空室内部进行移动扫描检漏；
控制模块，用于远程控制检漏模块和多自由度机械臂模块，并获取检漏模块的检漏数据；
信号处理模块，用于根据检漏数据判断是否发生泄漏以及确定泄漏位置，并将判断和确定结果发送至用户端。
进一步改进在于，所述检漏模块包括：
摄像头，用于拍摄真空室内部画面；
四极质谱仪，用于通过收集真空室内部气体羽流测得气体分压数据。
进一步改进在于，所述四极质谱仪的检测室进气口处设有细长管道型结构的皮托探头，用于定向收集气体羽流并限制气体留在检测室内。
进一步改进在于，所述皮托探头为不锈钢材质。
进一步改进在于，所述多自由度机械臂模块设于可封闭空间内，且该可封闭空间与真空室之间设有插板阀，通过插板阀的启闭实现可封闭空间与真空室的连通或隔绝，所述多自由度机械臂模块自带有抽真空机构，用于对可封闭空间进行抽真空。
进一步改进在于，所述多自由度机械臂模块包括依次连接的机械臂底座、机械臂大臂、机械臂中臂、机械臂小臂、转向器、横向摆臂和纵向摆臂，其中，所述机械臂大臂、机械臂中臂、机械臂小臂构成与真空室结构相适配的弧形伸缩件。
进一步改进在于，所述多自由度机械臂模块中各部件均选用低出气量的材料，且其中机械臂大臂、机械臂中臂、机械臂小臂、转向器、横向摆臂和纵向摆臂均由电机驱动，在电机表面设有辐射屏蔽层。
进一步改进在于，所述控制模块包括：
机械臂控制单元，用于控制多自由度机械臂模块伸入真空室内部以及在真空室内部的移动；
质谱仪控制单元，用于控制四极质谱仪的启闭，以及获取四极质谱仪所测得的气体分压数据；
影像控制单元，用于控制摄像头的启闭，以及获取摄像头所拍摄的真空室内部画面；
抽真空控制单元，用于控制抽真空机构的启闭；
插板阀控制单元，用于控制插板阀的启闭。
本发明还提供了一种用于聚变装置真空室内部管道的远程检漏方法，利用上述系统，具体步骤包括：
S1、在全超导托卡马克聚变装置运行时，通过真空室自带真空测量设备检测真空室内的真空度及气体成分占比，当检测到真空室内真空度、气体占比超出正常范围时，开启检漏工作程序；
S2、控制抽真空机构将多自由度机械臂模块所处的可封闭空间抽至真空环境，再控制打开可封闭空间与真空室之间的插板阀；
S3、控制多自由度机械臂模块伸入真空室内并按照预先规划路径进行移动，使四极质谱仪在与真空室表面保持一定距离不变的情况下进行扫描，同时使摄像头拍摄真空室内部画面；
S4、在四极质谱仪扫描过程中，获取真空室内气体分压数据，若分压数据未发生变化，则控制多自由度机械臂模块按照规预先规划路径继续移动，若分压数据发生变化，则判断为发生泄漏，并控制多自由度机械臂模块在分压数据发生变化位置点的附近区域内进行多次扫描；
S5、多次扫描过程中，将气体分压数据的变化情况与多自由度机械臂模块位置的移动情况相结合，确定泄漏位置并发送至用户端。
进一步改进在于，步骤S4中，所述多次扫描指的是：按照平行于预先规划路径以及垂直于预先规划路径且相隔设定距离进行网格状路线扫描。
本发明的有益效果在于：
1、本发明可实现了全超导托卡马克聚变装置真空室的远程检漏，提高了检漏工作人员的安全性以及检漏工作的效率；
2、本发明采用电力驱动，不会对真空环境造成污染；
3、本发明根据利用机械臂进行远程检漏，可对整个真空室的表面进行扫描，适用性较广；
4、本发明设计思路方法完整可靠，利用机械臂完成对聚变装置内部管道的检漏工作，对泄漏实行定点范围检漏，提高了检漏速度；
5、本发明特别使用皮托探头安装在质谱仪前段，提高了泄漏检测的信号。
附图说明
图1为聚变装置真空室内部管道的远程检漏系统的原理图；
图2为多自由度机械臂模块的安装示意图；
图3为多自由度机械臂模块的具体结构示意图；
图4为检漏模块的具体结构示意图；
图5为皮托探头的作用原理图；
图6为聚变装置真空室内部管道的远程检漏系统在检漏时的状态图；
图7为聚变装置真空室内部管道的远程检漏方法的流程图；
图中：1、真空室；2、插板阀；3、可封闭空间；4、多自由度机械臂模块；41、机械臂底座；42、机械臂大臂；43、机械臂中臂；44、机械臂小臂；45、转向器；46、横向摆臂；47、纵向摆臂；5、检漏模块；51、检漏仪支撑；52、四极质谱仪；53、六角锁紧螺母；54、六角头螺栓；55、摄像头；56、线管；57、转轴；58、皮托探头。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
本发明针对的聚变装置为全超导托卡马克聚变装置，内部存在偏滤器、第一壁等多种直接面向等离子体组件，工作时真空度必须低于1×10-5Pa，聚变装置真空腔室内部第一壁可能存在水冷管微泄漏或偏滤器水冷管泄漏，需要精确检漏。
如图1所示，一种用于聚变装置真空室内部管道的远程检漏系统，所述系统包括：
检漏模块；
多自由度机械臂模块，设于真空室外部，用于安装所述检漏模块并在需要检漏时带动检漏模块伸入真空室内部进行移动扫描检漏；
控制模块，为数据交互提供集成的控制平台及接口，用于远程控制检漏模块和多自由度机械臂模块，并获取检漏模块的检漏数据；
信号处理模块，用于根据检漏数据判断是否发生泄漏以及确定泄漏位置，并将判断和确定结果发送至用户端，以指导工作人员进行检漏和对泄漏位置应急处理。
优选的，结合图2所示，所述多自由度机械臂模块4设于可封闭空间3内，且该可封闭空间3与真空室1之间设有插板阀2，未使用时通过插板阀2与真空室1隔开，通过插板阀2的启闭实现可封闭空间3与真空室1的连通或隔绝，所述多自由度机械臂模块4自带有抽真空机构(图中未示出)，用于对可封闭空间3进行抽真空。
另外，在具体实施时，插板阀2上有一个与管道通径相同的通孔，闸板直径略大于通孔，在边缘具有密封圈，闸板可通过上方的摇杆旋转或者气体推动活塞而移动阀杆从而上下移动，当闸板到达末位置压紧时，密封面与闸板刚好将通孔密封，从而达到两端隔绝的效果。
优选的，结合图3所示，所述多自由度机械臂模块4包括依次连接的机械臂底座41、机械臂大臂42、机械臂中臂43、机械臂小臂44、转向器45、横向摆臂46和纵向摆臂47，其中，所述机械臂大臂42、机械臂中臂43、机械臂小臂44构成与真空室1结构相适配的弧形伸缩件。
优选的，所述多自由度机械臂模块4中各部件均选用低出气量的材料，例如不锈钢，避免铜、铝等放气率较大的材料，其中机械臂大臂42、机械臂中臂43、机械臂小臂44、转向器45、横向摆臂46和纵向摆臂47均由电机驱动，且为了能够适应真空室1的内部环境，在电机表面设有辐射屏蔽层，因为辐射主要影响电机运动功能，辐射屏蔽层的材料可以选择钨，具有较强的抗辐射性和热稳定性，另外电机选择能适用于真空环境的电机，通讯线避免暴露在真空中，可以封装在波纹管中。
优选的，结合图4所示，所述检漏模块5包括：
摄像头55，例如2D相机，用于拍摄真空室1内部画面，便于观察真空室1内部情况以及判断检漏模块5位置；四极质谱仪52，用于通过收集真空室1内部气体羽流测得气体分压数据。另外，还包括放置并固定四极质谱仪52的检漏仪支撑51，收束用线管56，在多自由度机械臂模块4末端安装用的转轴57等。
其中，所述四极质谱仪52的检测室进气口处设有细长管道型(相较于质谱仪进气管道直径更小)结构的皮托探头58，用于定向收集气体羽流并限制气体留在检测室内。皮托探头58的原理如图5所示，气体从泄漏位置泄漏出后，在真空环境中会向四周扩散，形成羽流，一部分气体分子会从皮托探头58管口进入，直接进入或者与周围的管壁碰撞进入四极质谱仪52检测室内部，并在检测室内部聚集，形成相对较高的压强，由于皮托探头58为长径比较大的管道，气体流导很小，导致气体不易从检测室内部流出到真空室1中，使得质谱仪内部的压强总高于管口的压强，从而使得检测信号更高。
优选的，所述皮托探头58为不锈钢材质，不锈钢在真空中的放气量相较较低，且与四极质谱仪52采用刀口法兰连接，并通过六角锁紧螺母53和六角头螺栓54实现固定。
优选的，所述控制模块包括：
机械臂控制单元，用于控制多自由度机械臂模块4伸入真空室1内部以及在真空室1内部的移动；
质谱仪控制单元，用于控制四极质谱仪52的启闭，以及获取四极质谱仪52所测得的气体分压数据；
影像控制单元，用于控制摄像头55的启闭，以及获取摄像头55所拍摄的真空室1内部画面；
抽真空控制单元，用于控制抽真空机构的启闭；
插板阀控制单元，用于控制插板阀2的启闭。
再结合图6和图7所示，本发明还提供了一种用于聚变装置真空室内部管道的远程检漏方法，利用上述系统，具体步骤包括：
S1、在全超导托卡马克聚变装置运行时，通过真空室自带真空测量设备检测真空室1内的真空度及气体成分占比，当检测到真空室1内真空度、气体占比超出正常范围时(总压发生大幅度变化，气体占比发生了不合理的变化)，开启检漏工作程序；
S2、控制抽真空机构将多自由度机械臂模块4所处的可封闭空间3抽至真空环境，再控制打开可封闭空间3与真空室1之间的插板阀2；
S3、控制多自由度机械臂模块4伸入真空室1内并按照预先规划路径进行移动(真空室1表面的组件都是固定的，表面形貌不会发生太大的变化，在泄漏发生后，确定了泄漏的组件，可以通过预先设置好的扫描路径行进。对于在泄漏地点附近的更精细化的扫描，可以通过校正机械臂的运动参数，如机械臂小臂的长度以及偏转的角度来实现)，使四极质谱仪52在与真空室1表面保持一定距离不变的情况下进行扫描，同时使摄像头55拍摄真空室1内部画面；
S4、在四极质谱仪52扫描过程中，获取真空室1内气体分压数据，若分压数据未发生变化，则控制多自由度机械臂模块4按照规预先规划路径继续移动，若分压数据发生变化，则判断为发生泄漏，并控制多自由度机械臂模块4在分压数据发生变化位置点的附近区域(例如半径50cm的圆形区域)内进行多次扫描，即按照平行于预先规划路径以及垂直于预先规划路径且相隔设定距离进行网格状路线扫描，相隔设定距离可以为5cm，选取5cm的原因是距离过小会增加无效的重复扫描工作，过大的距离则会使得泄漏位置处于两条扫描路径之间而被忽略；
S5、多次扫描过程中，将气体分压数据的变化情况与多自由度机械臂模块4位置的移动情况相结合，确定泄漏位置并发送至用户端，以便于进行后续的修复工作。
例如，真空室1内分布着给偏滤器和第一壁冷却所用的水冷管，这些管道如果在工作时发生泄漏，会导致真空室1内的真空度上升，无法达到等离子体放电所需真空度要求。此时开启四极质谱仪52，检测真空室1内水的分压，当四极质谱仪52探头经过泄漏地点附近时，水的分压会产生明显的变化。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于聚变装置真空室内部管道的远程检漏系统，所述聚变装置为全超导托卡马克聚变装置，其特征在于，所述系统包括：
检漏模块；
多自由度机械臂模块，设于真空室外部，用于安装所述检漏模块并在需要检漏时带动检漏模块伸入真空室内部进行移动扫描检漏；
控制模块，用于远程控制检漏模块和多自由度机械臂模块，并获取检漏模块的检漏数据；
信号处理模块，用于根据检漏数据判断是否发生泄漏以及确定泄漏位置，并将判断和确定结果发送至用户端。
2.根据权利要求1所述的一种用于聚变装置真空室内部管道的远程检漏系统，其特征在于，所述检漏模块包括：
摄像头，用于拍摄真空室内部画面；
四极质谱仪，用于通过收集真空室内部气体羽流测得气体分压数据。
3.根据权利要求2所述的一种用于聚变装置真空室内部管道的远程检漏系统，其特征在于，所述四极质谱仪的检测室进气口处设有细长管道型结构的皮托探头，用于定向收集气体羽流并限制气体留在检测室内。
4.根据权利要求3所述的一种用于聚变装置真空室内部管道的远程检漏系统，其特征在于，所述皮托探头为不锈钢材质。
5.根据权利要求2所述的一种用于聚变装置真空室内部管道的远程检漏系统，其特征在于，所述多自由度机械臂模块设于可封闭空间内，且该可封闭空间与真空室之间设有插板阀，通过插板阀的启闭实现可封闭空间与真空室的连通或隔绝，所述多自由度机械臂模块自带有抽真空机构，用于对可封闭空间进行抽真空。
6.根据权利要求1或5所述的一种用于聚变装置真空室内部管道的远程检漏系统，其特征在于，所述多自由度机械臂模块包括依次连接的机械臂底座、机械臂大臂、机械臂中臂、机械臂小臂、转向器、横向摆臂和纵向摆臂，其中，所述机械臂大臂、机械臂中臂、机械臂小臂构成与真空室结构相适配的弧形伸缩件。
7.根据权利要求6所述的一种用于聚变装置真空室内部管道的远程检漏系统，其特征在于，所述多自由度机械臂模块中各部件均选用低出气量的材料，且其中机械臂大臂、机械臂中臂、机械臂小臂、转向器、横向摆臂和纵向摆臂均由电机驱动，在电机表面设有辐射屏蔽层。
8.根据权利要求5所述的一种用于聚变装置真空室内部管道的远程检漏系统，其特征在于，所述控制模块包括：
机械臂控制单元，用于控制多自由度机械臂模块伸入真空室内部以及在真空室内部的移动；
质谱仪控制单元，用于控制四极质谱仪的启闭，以及获取四极质谱仪所测得的气体分压数据；
影像控制单元，用于控制摄像头的启闭，以及获取摄像头所拍摄的真空室内部画面；
抽真空控制单元，用于控制抽真空机构的启闭；
插板阀控制单元，用于控制插板阀的启闭。
9.一种用于聚变装置真空室内部管道的远程检漏方法，其特征在于，利用权利要求5所述的系统，具体步骤包括：
S1、在全超导托卡马克聚变装置运行时，通过真空室自带真空测量设备检测真空室内的真空度及气体成分占比，当检测到真空室内真空度、气体占比超出正常范围时，开启检漏工作程序；
S2、控制抽真空机构将多自由度机械臂模块所处的可封闭空间抽至真空环境，再控制打开可封闭空间与真空室之间的插板阀；
S3、控制多自由度机械臂模块伸入真空室内并按照预先规划路径进行移动，使四极质谱仪在与真空室表面保持一定距离不变的情况下进行扫描，同时使摄像头拍摄真空室内部画面；
S4、在四极质谱仪扫描过程中，获取真空室内气体分压数据，若分压数据未发生变化，则控制多自由度机械臂模块按照规预先规划路径继续移动，若分压数据发生变化，则判断为发生泄漏，并控制多自由度机械臂模块在分压数据发生变化位置点的附近区域内进行多次扫描；
S5、多次扫描过程中，将气体分压数据的变化情况与多自由度机械臂模块位置的移动情况相结合，确定泄漏位置并发送至用户端。
10.根据权利要求9所述的一种用于聚变装置真空室内部管道的远程检漏方法，其特征在于，步骤S4中，所述多次扫描指的是：按照平行于预先规划路径以及垂直于预先规划路径且相隔设定距离进行网格状路线扫描。
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| CN202310932535.1A CN116864158A (zh) | 2023-07-27 | 2023-07-27 | 一种用于聚变装置真空室内部管道的远程检漏系统及方法 |
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