CN213516886U - 等离子体面壁部件原位诊断与缺陷修复系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于核聚变技术领域，具体涉及等离子体面壁部件原位诊断与缺陷修复系统，包括激光模块、光谱采集模块、激光束高反射镜、石英窗口和壁形貌监控模块，光谱采集模块包括二相色镜、激光束聚焦透镜、收集透镜、传输光纤和光谱仪，壁形貌监控模块包括凹面镜、凸面镜、分束装置、参考表面控制器、聚焦透镜、CCD或者CMOS相机。不仅能够为聚变等离子体与壁相互作用的研究与控制提供数据，而且还可原位修复壁损伤，提高聚变装置使用寿命，维持稳态、长时间运行。

Description

等离子体面壁部件原位诊断与缺陷修复系统

技术领域

本实用新型属于核聚变技术领域，具体涉及一种激光烧蚀等离子体发射光谱、激光增材制造、激光干涉表面形貌监测技术中的面壁部件原位诊断与缺陷修复系统。

背景技术

利用受控热核聚变产生的能量被认为是解决人类能源问题的根本途径之一，托卡马克磁约束核聚变装置是当前公认最有希望实现受控热核聚变的装置，开展托卡马克聚变实验研究是探索和解决受控热核聚变堆工程及物理问题的最有效的手段。在磁约束托卡马克装置运行中，等离子体面壁部件(Plasma Facing Components，PFCs)会受到聚变等离子体、聚变α粒子、聚变中子、中性原子等的辐照，导致器壁侵蚀、器壁损伤、器壁缺陷、杂质沉积、燃料滞留等诸多问题，直接影响PFCs的寿命并可能引发聚变装置运行安全问题。一方面，聚变等离子体辐照、高热负荷以及聚变反应产生的α粒子、高能中子穿过PFCs不可避免地对其造成损伤，如产生微米-毫米级裂缝、晶格错位、材料腐蚀、熔化、碎裂等，严重改变PFCs性能并影响其使用寿命，导致聚变装置运行成本增加。另一方面，对于聚变装置关注的杂质沉积、燃料滞留诊断核心问题，当前最有希望的诊断手段为激光诱导击穿光谱，但是从其技术原理出发，该方法会在诊断过程中不可避免地对被诊断的区域造成烧蚀损伤，在一定程度上影响PFCs的使用寿命，给聚变装置运行造成不利影响。因此，需要及时对诊断造成的壁损伤进行修复。综上，发展原位、实时的聚变PFCs损伤及缺陷修复方法是维持聚变装置稳态、长时间运行的重要手段，同时也是节省聚变堆维护成本的重要技术手段。

激光烧蚀等离子体发射光谱是一束短脉冲(通常小于10纳秒)、高能量密度激光辐照到PFCs表面发生激光与物质相互作用时，当激光能量密度大于PFCs 的烧蚀阈值时，相互作用区的第一壁被烧蚀。被烧蚀的粒子沿着PFCs样品表面法线方向喷射出来到聚变等离子体中。主等离子体与激光烧蚀的粒子发生相互作用，电离烧蚀离子并辐射出光，通过光谱仪收集并分析辐射光谱即可得到PFCs 表面元素成分信息。激光干涉表面成像是一束激光分束形成两束相干激光后，一束照射到一个被镜面抛光的样品表面S1作为参考光，另外一束照射到被测 PFCs样品表面S2作为测量光。然后结合光学元件，将S1与S2表面反射的参考光与测量光成像至相机，并在相机探测器上形成干涉图样，这一干涉图样中即包含有被测表面位移和形变信息。微移或调整S1的位置采集多幅干涉图样，然后分析干涉图样，就可反演得到被测样品的表面形貌信息。

毫秒脉冲激光由于其脉冲宽度长(通常大于1毫秒)，照射到样品表面会伴随有强烈的热效应以致被照射区域发生融化而不形成激光等离子体，被广泛的应用于激光焊接、激光切割等领域。同时也由于毫秒激光的强烈热效应，可在毫秒激光脉冲时间尺度内加热物质，与光学元件结合形成激光选区熔覆技术，近年来被大量应用于激光先进制造领域。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种聚等离子体面壁部件原位诊断与缺陷修复系统，其能够针对等离子体面壁部件进行损伤诊断及缺陷修复。

本实用新型的技术方案如下：

一种等离子体面壁部件原位诊断与缺陷修复系统，包括如下几部分：

激光模块，包括脉冲激光模块和连续激光模块，负责提供不同脉宽的激光；

光谱采集模块，采集激光烧蚀等离子体发射光谱，用于分析PFCs表层元素成分；

激光束高反射镜和石英窗口，用于实现光谱采集模块、壁形貌监控模块与聚变装置等离子体面壁部件的光路传输；

壁形貌监控模块，监控PFCs表面形貌变化，标定原位PFCs修复位置；

所述的脉冲激光模块发射脉冲激光束，经由激光束高反射镜反射，通过嵌入在聚变装置真空腔室上的石英窗口后，辐照到等离子体面壁部件表面发生烧蚀，被烧蚀粒子与聚变等离子体相互作用形成激光烧蚀等离子体；激光烧蚀等离子体经过石英玻璃后被激光高射镜反射，通过光谱采集模块后被采集；

所述的激光束高反射镜可以移出或者反馈光路；在进行诊断与修复时，激光束高反射镜返回原光路；仅在壁形貌监控模块工作时，激光束高反射镜被移出光路。

所述的连续激光模块向壁形貌监控模块发出连续激光，连续激光束经过石英窗口后照射到等离子体面壁部件后反射，反射光经过石英窗口再与壁形貌监控模块中的参考表面控制器反射光形成干涉图样后被采集。

所述的光谱采集模块包括二相色镜、激光束聚焦透镜、收集透镜、传输光纤和光谱仪；

所述的二相色镜位于脉冲激光模块的发射光路上，且镜面与光路方向夹角为45°；

所述的激光束聚焦透镜位于二相色镜反射光路上，且能够接收激光束高反射镜的反射光线，反射光线经过二相色镜透射；

所述的收集透镜位于二相色镜的透射光路上；

所述的传输光纤将收集透镜的透射光线耦合传输至光谱仪中。

所述的壁形貌监控模块包括凹面镜、凸面镜、分束装置、参考表面控制器、聚焦透镜、CCD或者CMOS相机；

所述的凹面镜位于所述的连续激光模块的发射光路上，将接收到的激光扩束；

所述的凸面镜位于扩束光路上，对扩束光束准直；

所述的分束装置位于准直光路上，且上表面与准直光路的夹角为45°；

所述的分束装置将准直后的激光束分为两束，一束照射到参考表面控制器成为参考光，另外一束通过石英窗口后照射到等离子体面壁部件上成为探测光；

所述的等离子体面壁部件、参考表面控制器参考光反射，形成两路反射光，分别经分束装置反射和透射后形成干涉图样；

所述的聚焦透镜将干涉图样成像到CCD或CMOS相机上。

所述的分束装置为分束片或者分束立方体。

所述的脉冲激光模块发射长脉冲激光的脉宽为1～500毫秒。

所述的石英窗口嵌入在聚变装置真空腔室壁上。

本实用新型的效果如下：不仅可原位、实时诊断聚变装置PFCs表面元素成分，为聚变等离子体与壁相互作用的研究与控制提供数据，而且还可原位修复诊断PFCs过程中激光烧蚀造成的壁损伤，进一步地该方法还可原位修复由聚变等离子、聚变α粒子、聚变中子、中性原子等的辐照引起的PFCs损伤与缺陷，有助于提高聚变装置的使用寿命，维持聚变装置稳态、长时间运行，极大地节省聚变堆运行维护成本。

附图说明

图1为等离子体面壁部件原位诊断与缺陷修复系统示意图；

图中：301.脉冲激光模块；302.连续激光模块；303.脉冲激光束；401.二向色镜；402.激光束聚焦透镜；403.收集透镜；404.光纤；405.光谱仪；501.凹面镜501；502.凸面镜；503.分束片；504.参考表面控制器；505.聚焦透镜；506.CCD 或CMOS相机；6.修复材料；7.激光束高反射镜；8.聚变装置真空腔室壁；9.石英窗口；10.等离子体面壁部件；11.聚变等离子体；12.激光烧蚀等离子体；13. 激光烧蚀坑。

具体实施方式

下面通过附图及具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

针对等离子体面壁部件进行原位诊断与缺陷修复，涉及几个部分：激光模块；光谱采集模块；壁形貌监控模块；激光束高反射镜7、石英窗口9。

其中：

激光模块包括脉冲激光模块301和连续激光模块302，脉冲激光模块301负责提供不同脉宽的激光，其中短脉冲激光(脉宽小于10纳秒)用于PFCs原位诊断，长脉冲激光(脉宽大于1毫秒)用于PFCs缺陷原位修复。连续激光模块 302负责提供连续激光与壁形貌监控模块系统工作，原位、在线探测出PFCs表面形貌。

光谱采集模块负责采集激光烧蚀等离子体发射光谱，用于分析PFCs表层元素成分；

壁形貌监控模块负责原位、在线监控PFCs表面形貌变化，标定出原位PFCs 待修复位置。

激光束高反射镜7、石英窗口9用于实现光谱采集模块、壁形貌监控模块与聚变装置等离子体面壁部件10之间的光路传输。

在修复时可以利用机械手臂模块将修复材料6送达至标定出的待修复位置，在修复PFCs时机械手臂喷出修复材料6(纳米到微米量级金属小球)，而后使用脉冲激光模块301中的长脉冲激光(脉宽大于1毫秒)熔化金属小球为液体沉积到等离子体面壁部件10的待修复位置。

如图1所示是原位诊断与缺陷修复系统及方法一个优选的实施例，同时具备原位诊断功能和原位缺陷修复功能，包括脉冲激光模块301、连续激光模块302、激光束高反射镜7、安装在聚变装置真空腔室壁8上的石英窗口9。

还包括光谱采集模块(二相色镜401、激光束聚焦透402、收集透镜403、传输光纤404和光谱仪405)和壁形貌监控模块(凹面镜501、凸面镜502、分束片(也已采用可采用分束立方体)503、参考表面控制器504、聚焦透镜505、 CCD或者CMOS相机506)。

聚变装置等离子体面壁部件10为本发明的实施对象，聚变等离子体11位于聚变装置等离子体面壁部件10和真空腔室壁8之间。其中，聚变装置真空腔室壁8负责维持聚变装置运行环境，聚变装置等离子体面壁部件10维持聚变装置运行环境，保护其后面的其他聚变装置部件，上述的石英窗口9嵌入式的安装在聚变装置真空腔室壁8上。当激光从石英窗口9透过聚变装置真空腔室壁8 后辐照到等离子体面壁部件10，其表面发生烧蚀，烧蚀粒子会沿着等离子体面壁部件10法线方向发生膨胀输运并与聚变等离子体11产生相互作用，被聚变等离子体11激发电离形成激光烧蚀等离子体12，这一过程中由于激光烧蚀PFCs 并发射烧蚀粒子，因此会在等离子体面壁部件10表面留下烧蚀损伤坑13。

进行聚变装置等离子体面壁部件原位诊断，就是要经过一系列的激光传输和等离子体辐射光探测，利用光谱仪405采集激光烧蚀等离子体12的辐射光，进行分析得到等离子体面壁部件10表面元素成分与含量，实现原位、在线、实时测量。

而进行聚变装置等离子体面壁部件缺陷修复，需要经过激光干涉成像以及激光增材修复，利用CCD或CMOS相机506采集等离子体面壁部件10的探测光和参考表面控制器504的参考光形成的干涉图样，并根据干涉图样得到等离子体面壁部件10的表面形貌结果，进一步的利用机械手将修复材料6喷射至待修复位置，同时利用脉冲激光301中的长脉冲激光(脉宽大于1毫秒)熔化金属小球，沉积被熔化金属至待修复位置。

Claims (6)

1.一种等离子体面壁部件原位诊断与缺陷修复系统，其特征在于，包括如下几部分：

激光模块，包括脉冲激光模块(301)和连续激光模块(302)，负责提供不同脉宽的激光；

光谱采集模块，采集激光烧蚀等离子体发射光谱，用于分析PFCs表层元素成分；

激光束高反射镜(7)和石英窗口(9)，用于实现光谱采集模块、壁形貌监控模块与聚变装置等离子体面壁部件(10)的光路传输；

壁形貌监控模块，监控PFCs表面形貌变化，标定原位PFCs修复位置；

所述的脉冲激光模块(301)发射脉冲激光束(303)，经由激光束高反射镜(7)反射，通过嵌入在聚变装置真空腔室壁(8)上的石英窗口(9)后，辐照到等离子体面壁部件(10)表面发生烧蚀，被烧蚀粒子与聚变等离子体(11)相互作用形成激光烧蚀等离子体(12)；激光烧蚀等离子体(12)经过石英窗口(9)后被激光束高反射镜(7)反射，通过光谱采集模块后被采集；

所述的激光束高反射镜(7)可以移出或者反馈光路；在进行诊断与修复时，激光束高反射镜(7)返回原光路；仅在壁形貌监控模块工作时，激光束高反射镜(7)被移出光路；

所述的连续激光模块(302)向壁形貌监控模块发出连续激光，连续激光束经过石英窗口(9)后照射到等离子体面壁部件(10)后反射，反射光经过石英窗口(9)再与壁形貌监控模块中的参考表面控制器(504)反射光形成干涉图样后被采集。

2.如权利要求1所述的一种等离子体面壁部件原位诊断与缺陷修复系统，其特征在于：所述的光谱采集模块包括二相色镜(401)、激光束聚焦透镜(402)、收集透镜(403)、传输光纤(404)和光谱仪(405)；

所述的二相色镜(401)位于脉冲激光模块(301)的发射光路上，且镜面与光路方向夹角为45°；

所述的激光束聚焦透镜(402)位于二相色镜(401)反射光路上，且能够接收激光束高反射镜(7)的反射光线，反射光线经过二相色镜(401)透射；

所述的收集透镜(403)位于二相色镜(401)的透射光路上；

所述的传输光纤(404)将收集透镜(403)的透射光线耦合传输至光谱仪(405)中。

3.如权利要求1所述的一种等离子体面壁部件原位诊断与缺陷修复系统，其特征在于：所述的壁形貌监控模块包括凹面镜(501)、凸面镜(502)、分束装置、参考表面控制器(504)、聚焦透镜(505)、CCD或者CMOS相机(506)；

所述的凹面镜(501)位于所述的连续激光模块(302)的发射光路上，将接收到的激光扩束；

所述的凸面镜(502)位于扩束光路上，对扩束光束准直；

所述的分束装置位于准直光路上，且上表面与准直光路的夹角为45°；

所述的分束装置将准直后的激光束分为两束，一束照射到参考表面控制器(504)成为参考光，另外一束通过石英窗口(9)后照射到等离子体面壁部件(10)上成为探测光；

所述的等离子体面壁部件(10)、参考表面控制器(504)参考光反射，形成两路反射光，分别经分束装置反射和透射后形成干涉图样；

所述的聚焦透镜(505)将干涉图样成像到CCD或CMOS相机(506)上。

4.如权利要求3所述的一种等离子体面壁部件原位诊断与缺陷修复系统，其特征在于：所述的分束装置为分束片(503)或者分束立方体。

5.如权利要求1所述的一种等离子体面壁部件原位诊断与缺陷修复系统，其特征在于：所述的脉冲激光模块(301)发射长脉冲激光的脉宽为1～500毫秒。

6.如权利要求1所述的一种等离子体面壁部件原位诊断与缺陷修复系统，其特征在于：所述的石英窗口(9)嵌入在聚变装置真空腔室壁(8)上。

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