專利名稱：一種檢測托卡馬克鎢第一壁灰塵沉積層成分及厚度的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及核聚變與光學診斷領域，特別涉及ー種檢測托卡馬克鎢第一壁灰塵沉積層成分及厚度的裝置，能夠在線、快速、同步地檢測托卡馬克鎢第一壁灰塵成分及厚度信息，且無接觸無損傷，實用性強。
背景技術：
太赫茲(Terahertz or THz)波通常指的是頻率處在0.1THz IOTHz之間的電磁波，介于微波和紅外之間。太赫茲時域光譜系統是ー種相干探測技木，能夠同時獲得太赫茲脈沖的振幅信息和相位信息，通過對時間波形進行傅立葉變換能直接得到樣品的吸收系數和折射率等光學參數。太赫茲時域光譜技術探測靈敏度很高，已經廣泛應用于材料性質的分析中。理論及實驗研究表明，很多エ業材料用太赫茲時域光譜技術探測，能有效的產生共振吸收峰，從而提供了特征指紋譜，并可以進行探測識別。同時，在某些環境下，太赫茲波具有獨特的強透射能力和低輻射能量的特點，不會對材料造成傷害，而且具有高功率及高分辨率。在高密度、高溫、磁化等離子體中，太赫茲波同樣也表現出零吸收的特性，這就為利用太赫茲波來檢測托卡馬克內鎢第一壁灰塵沉積層成分及厚度提供了可能。在核聚變托卡馬克裝置中，等離子體與壁材料相互作用將會產生灰塵。灰塵的成因非常復雜，涉及到多種等離子過程，同時灰塵顆粒打擊或者沉積到第一壁上時有可能改變壁材料的熱傳導率及其他性質。灰塵問題已經成為聚變領域的一個熱點問題。到目前為止，觀察灰塵的主要方法是快速相機拍攝的方法，或者使用氣凝膠采集器壁上灰塵樣本顆粒的方法，從而得到灰塵顆粒的速度、尺寸等方面的信息，因此在實際工作條件中，有這樣ー種可以在線無損傷檢測托卡馬克裝置灰塵沉積層厚度及成分的裝置就顯得十分重要。托卡馬克裝置中灰塵成分主要有鎢(W)、鈹(Be)、鑰(Mo)、碳(C)、硼(B)、氧(O)、娃(Si)、鉻(Cr) Ji(Mn)等，理論模擬計算表明，這些成分沉積在鶴第一壁上在太赫茲波段的吸收譜可以特征識別，不同成分與鎢表面結合的太赫茲頻域譜特征譜線出現的位置不同，同時同一成分隨著沉積在鎢上薄膜厚度的變化，雖然太赫茲波射入第一壁反射回的太赫茲頻域譜的特征譜線位置不變，但是強度會發生相應的變化，根據這ー特征，可以結合模擬實驗及分子動力學方法確定不同成分沉積在鎢表面若干條特征譜線峰值位置，對于每一種成分，計算出相對強度比隨薄膜厚度變化曲線，將以上模擬結果集成為計算機數據庫，以此方法同時推測出托卡馬克裝置鎢第一壁灰塵沉積層成分及厚度，從而達到同步在線且無損傷檢測。
發明內容
本發明的目的:為解決上述現有技術中的技術問題，提供一種檢測托卡馬克鎢第一壁灰塵沉積層成分及厚度的裝置，利用反射太赫茲時域譜技術結合計算機數據庫，能夠在線、同步且無接觸無損傷的檢測托卡馬克鎢第一壁灰塵沉積層成分及厚度。為達到上述目的，本發明采用的技術方案是:ー種檢測托卡馬克鎢第一壁灰塵沉積層成分及厚度的裝置，放置于托卡馬克磁約束聚變裝置觀測窗口外部，包括:包括:太赫茲波發射裝置2、太赫茲波探測裝置3、激光測距探頭4、測溫探頭5、太赫茲時域-頻域轉換模塊6、數據庫模塊7、結果輸出模塊8 ；
所述激光測距探頭4、測溫探頭5與數據庫模塊7數據連接；所述太赫茲波發射裝置2向托卡馬克鎢第一壁探測區域I射入太赫茲波，托卡馬克鎢第一壁探測區域I反射回的太赫茲波由太赫茲波探測裝置3接收，太赫茲波探測裝置3與太赫茲時域-頻域轉換模塊6、數據庫模塊7、結果輸出模塊8依次數據連接。所述太赫茲波探測裝置3保存為太赫茲時域譜。所述數據庫模塊7的功能有:①記錄探測距離；②記錄工作溫度；③讀取數據庫中該探測距離以及該工作溫度下不同成分灰塵沉積在鎢表面的太赫茲特征譜線峰值位置，并與實驗所得特征譜線位置比較，從而確定灰塵沉積層成分；④確定成分后，自動提取數據庫中該成分灰塵的沉積層厚度-相對強度比函數關系，與實驗中所得相對強度比相比較，確定沉積層厚度。所述計算機系統9記錄并保存輸出結果。本發明的有益效果是:本發明利用反射太赫茲時域譜技術結合計算機數據庫，為快速、同步檢測磁約束聚變托卡馬克裝置鎢第一壁灰塵沉積層成分以及厚度提供了條件，在磁約束裝置窗ロ外向托卡馬克第一壁探測區域發射太赫茲波，并接收反射時域譜，將其轉換成頻域譜，最后與計算機數據庫進行比對，確定灰塵成分和沉積層厚度，從而達到同步在線且無接觸無損傷檢測。從而達到在線、無接觸、無損傷檢測。
圖1為本發明ー種檢測托卡馬克鎢第一壁灰塵沉積層成分及厚度的裝置的結構示意圖。圖2為本發明檢測托卡馬克鎢第一壁上灰塵及厚度示意圖。圖3為不同灰塵成分沉積在鎢表面上的太赫茲頻域譜特征譜線示意圖。圖4為ー種灰塵成分不同厚度沉積在鎢表面的太赫茲頻域譜特征譜線示意圖。圖5為數據庫中不同灰塵成分沉積層厚度-相對強度比關系示意圖。附圖標識:1_托卡馬克鎢第一壁探測區域，2-太赫茲波發射裝置，3-太赫茲波探測裝置，4-激光測距探頭，5-測溫探頭，6-太赫茲時域-頻域轉換模塊，7-數據庫模塊，
8-結果輸出模塊，9-計算機系統，10-鎢第一壁表面，11-檢測托卡馬克鎢第一壁灰塵沉積層成分及厚度的裝置。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。本發明種檢測托卡馬克鎢第一壁灰塵沉積層成分及厚度的裝置，托卡馬克裝置中灰塵成分主要有鎢(W)、鈹(Be)、鑰(Mo)、碳(C)、硼(B)、氧(O)、硅(Si)、鉻(Cr)、錳(Mn)等，此裝置放置于托卡馬克磁約束聚變裝置觀測窗口外部，包括:包括:太赫茲波發射裝置2、太赫茲波探測裝置3、激光測距探頭4、測溫探頭5、太赫茲時域-頻域轉換模塊6、數據庫模塊7、結果輸出I吳塊8 ； 所述激光測距探頭4、測溫探頭5與數據庫模塊7數據連接；所述太赫茲波發射裝置2向托卡馬克鎢第一壁探測區域I射入太赫茲波，托卡馬克鎢第一壁探測區域I反射回的太赫茲波由太赫茲波探測裝置3接收，太赫茲波探測裝置3與太赫茲時域-頻域轉換模塊6、數據庫模塊7、結果輸出模塊8依次數據連接。所述太赫茲波探測裝置3保存為太赫茲時域譜。所述數據庫模塊7的功能有:①記錄探測距離；②記錄工作溫度；③讀取數據庫中該探測距離以及該工作溫度下不同成分灰塵沉積在鎢表面的太赫茲特征譜線峰值位置，并與實驗所得特征譜線位置比較，從而確定灰塵沉積層成分；④確定成分后，自動提取數據庫中該成分灰塵的沉積層厚度-相對強度比函數關系，與實驗中所得相對強度比相比較，確定沉積層厚度。所述計算機系統9記錄并保存輸出結果。參照圖2，灰塵沉積在鎢第一壁表面10上，是需要檢測的區域，本發明通過托卡馬克磁約束聚變裝置窗ロ發射太赫茲波，從而檢測鎢第一壁表面的灰塵成分及厚度。圖3為不同灰塵成分沉積在鎢表面上的太赫茲頻域譜特征譜線示意圖。模擬結果為:不同的成分沉積在鎢表面上，由于在太赫茲區域可以特征識別，因此在太赫茲頻域譜特征譜線峰值位置不同，根據這ー特性，可以由頻域譜特征譜線位置來推斷灰塵成分。圖4為同一種灰塵成分當沉積厚度不同時，太赫茲頻域譜特征譜線位置相同，但是特征譜線的強度不同，因此根據這ー特征，可以在確定灰塵成分后，將得到的太赫茲頻域譜特征譜線與數據庫該成分標定厚度(如I U m)的特征譜線強度相對比得到相對強度比，可以用R=IX/IQ表示，據此來推斷灰塵沉積層厚度。圖5為數據庫模擬的沉積層厚度-相對強度比函數關系圖。理論上可計算出該灰塵沉積在鎢表面不同厚度與標定厚度(如I U m)的頻域譜特征譜線的相對強度比，得到沉積層厚度d與相對強度比R的函數關系R=f (d)，讀取該灰塵成分，選取特征譜線，得到該厚度與標定厚度譜線的相對強度比，與數據庫函數關系比對，從而確定灰塵沉積層厚度。理論模擬計算后，可以擬合不同沉積成分的沉積層厚度-相對強度比的函數變化關系，從而將實驗與理論結果相比照，可得沉積層厚度。為了更好地說明反射太赫茲時域光譜技術如何應用于檢測托卡馬克鎢第一壁灰塵沉積層成分及厚度，下面將結合圖1詳細介紹ー下本發明的具體實施方案:
(1)在托卡馬克磁約束聚變裝置正常工作吋，將本發明放置在托卡馬克磁約束聚變裝置窗口外，探頭方向垂直于托卡馬克鎢第一壁探測區域I表面。首先激光測距探頭4探測托卡馬克鎢第一壁探測區域I與探頭距離，測溫探頭5探測托托卡馬克磁約束聚變裝置內部工作溫度，并將記錄的探測距離及工作溫度輸入至數據庫模塊7，同時由太赫茲波發射裝置2向托卡馬克鎢第一壁探測區域I射入太赫茲波；
(2)由托卡馬克鎢第一壁探測區域I灰塵沉積層反射回的太赫茲波由太赫茲波探測裝置3接收，并記錄該成分該厚度下灰塵沉積層反射回的太赫茲時域譜；
(3)將上述太赫茲時域譜導入太赫茲時域-頻域轉換模塊6，所述太赫茲時域-頻域轉換模塊6將太赫茲時域譜在有效頻域內做傅里葉變換，得到頻域譜；
(4)將上述頻域譜導入至數據庫模塊7，所述數據庫模塊7自動選取特征譜線，與數據庫中存入的各種不同灰塵成分的特征譜線位置相對比，確定灰塵成分； (5)確定灰塵成分后，繼續從數據庫模塊7自動提取數據庫中該成分灰塵的沉積層厚度-相對強度比函數關系，并將實驗所得頻域譜譜線強度與該成分的數據庫標定厚度頻域譜譜線強度相比，得到相對強度比，通過數據庫的沉積層厚度-相對強度比函數關系，確定沉積層厚度；
(6)數據庫模塊7將確定出的灰塵沉積層成分及厚度由輸出模塊8輸出結果；
(7)將輸出結果導入至計算機系統9，可以記錄不同探測區域的成分及厚度，達到連續測量的目的。以上內容是結合優選技術方案對本發明所做的進ー步詳細說明，不能認定發明的具體實施僅限于這些說明。對本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明的構思的前提下，還可以做出簡單的推演及替換，都應當視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.ー種檢測托卡馬克鎢第一壁灰塵沉積層成分及厚度的裝置，其特征在于，所述ー種檢測托卡馬克鎢第一壁灰塵沉積層成分及厚度的裝置，包括:太赫茲波發射裝置(2)、太赫茲波探測裝置(3)、激光測距探頭(4)、測溫探頭(5)、太赫茲時域-頻域轉換模塊(6)、數據庫模塊(7)、結果輸出模塊(8); 所述激光測距探頭(4)、測溫探頭(5)與數據庫模塊(7)數據連接；所述太赫茲波發射裝置(2)向托卡馬克鎢第一壁探測區域(I)射入太赫茲波，托卡馬克鎢第一壁探測區域(I)反射回的太赫茲波由太赫茲波探測裝置(3)接收，太赫茲波探測裝置(3)與太赫茲時域-頻域轉換模塊(6)、數據庫模塊(7)、結果輸出模塊(8)依次數據連接。
全文摘要
本發明涉及核聚變與光學診斷領域，特別涉及一種檢測托卡馬克鎢第一壁灰塵沉積層成分及厚度的裝置，包括太赫茲波發射裝置、太赫茲波探測裝置、激光測距探頭、測溫探頭、太赫茲時域-頻域轉換模塊、數據庫模塊、結果輸出模塊；所述激光測距探頭、測溫探頭與數據庫模塊數據連接；所述太赫茲波發射裝置向托卡馬克鎢第一壁探測區域射入太赫茲波，托卡馬克鎢第一壁探測區域反射回的太赫茲波由太赫茲波探測裝置接收，太赫茲波探測裝置與太赫茲時域-頻域轉換模塊、數據庫模塊、結果輸出模塊依次數據連接。本發明利用反射太赫茲時域譜技術結合計算機數據庫，能夠在線、同步且無接觸無損傷的檢測托卡馬克鎢第一壁灰塵沉積層成分及厚度。
文檔編號G01B11/06GK103115893SQ20131003574
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月30日 優先權日2013年1月30日
發明者信裕, 海然, 丁洪斌, 哈桑 申請人:大連理工大學