利用潘寧放電區分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學質譜計診斷技術的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種利用潘寧放電區分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學質譜計診斷技術，利用D2和He放電產生的低溫等離子體發射光譜的特征光譜He-I和D-α波長迥異，將待測氣體D2和He引入電離室，安裝在電離室一側的潘寧放電系統電離該待測氣體產生低溫等離子體，隨后分析該等離子體產生的He-I譜線和D-α光譜，進而測量出兩種氣體（He和D2）的絕對含量，實現實時監測托卡馬克中He和D2演化的診斷技術，從而解決了由于He和D2分子質量數接近（He：4.003，D2：4.028）導致商業質譜計無法區分的難題，該診斷技術為ITER以及將來DEMO上可能的原位測量He/D2提供了直接的工程和物理經驗積累。
【專利說明】利用潘寧放電區分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學質譜計診斷技術
【技術領域】:
[0001]本發明涉及聚變反應堆偏濾器內中性氣體測量領域，具體是利用潘寧放電產生的低溫等離子體中氦氣和氘氣放電的特征波長不同，通過光纖、透鏡組、濾光片等組合，設計實現的定量測量氦氣以及氘氣分壓的一種技術手段。
【背景技術】:
[0002]在托卡馬克聚變反應中無論D-D還是D-T，其部分能量都是以a粒子(經過中性化后成為氦氣)形式釋放出來的。為了防止反應產物(He)逐步稀釋燃料并最終導致等離子體熄滅，下一代熱核聚變裝置(ITER)中必須以盡可能快的速度將反應生成的He抽出等離子體(He在等離子體中含量必須小于10%，否則由于燃料氣體的稀釋將熄滅等離子體)。ITER最新數據模擬顯示必須在7~15倍的能量約束時間內將新產生的He抽出等離子體，否則將無法維持運行。從等離子體中心向外部排出反應產物a粒子(He)的速度(He清除率)將決定了等離子體放電長度，所以對于任何一個聚變裝置來說He清除率的研究都是一個重要的基本課題。但是由于He(分子量:4.003)與聚變反應的燃料氣體D2(分子量:4.028)的分子量差別微乎其微，所以普通質譜計根本無法區分。有一種高頻回旋質譜儀可以分辨抱和仏，但是它無法運行在復雜的電磁場環境下而且只能工作在10_4Pa以下的真空環境中。而托卡馬克的偏濾器存在數特斯拉(T)量級的強磁場，等離子體運行時偏濾器的真空正常情況下即可上升到Pa量級等等，這些條件限制均導致目前商業質譜計無法在托卡馬克中應用于監測氦氘分量。由于再循環導致He從第一壁釋放，而且又缺乏直接測量He分壓的診斷，這就使得無法得到He灰清除率數據。
[0003]雖然He和D2的質量數幾乎相同，但是在可見光范圍內的特征譜線(He_I: 5875A，D-a:6563A)差別明顯。潘寧放電一方面可以激發中性氣體在本地產生低溫離子體以發射對應的特征譜線，另一方面潘寧放電受磁場影響小而且在很寬的真空范圍內(<5E-2Pa，結合差分系統可以到幾十Pa甚至上百Pa)可以產生穩定的等離子體，這樣就為利用主動激發的潘寧放電實現區分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學質譜計診斷技術的研究提供了必要的理論基礎。一旦該診斷系統搭建并正常運行將可以直接測量出He的分壓，結合已有的常規診斷就可以開展托卡馬克上He灰清除率、粒子輸運、壁滯留等相關偏濾器物理研究。
[0004]在EAST托卡馬克裝置上開發一套利用主動激發的潘寧放電實現區分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學質譜計診斷并開展相關偏濾器物理研究，將有助于進一步優化EAST偏濾器的He灰排出以及理解粒子輸運等問題，這無論對EAST還是對未來聚變裝置ITER來說都非常重要，并具有實際指導意義。 [0005]有效的描述ITER偏濾器對粒子控制水平依賴于對各種排出氣體成份演化過程的監測，包括燃料氣體(H/D/T)以及反應產生的He。普通商業質譜計無法分辨He和D2，而高速的回旋質譜計又受制于ITER的放電環境(放電環境包括強磁場~5T以及復雜的電磁輻射)無法使用，并且他們有一個共同問題即響應時間長。此外、商業質譜計無法對偏濾器進行原位測量(考慮到提高測量的響應時間，一種方法是將質譜計安裝在偏濾器下面進行原位測量)。而利用主動激發的潘寧放電實現區分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學質譜計診斷技術是一種通過在本地產生等離子體去激發偏濾器區域的中性氣體發光的光學診斷系統，對于中性氣體中我們感興趣的氣體成份可以通過干涉濾光片和光電倍增管組合進行測量其強度進而反演出該氣體壓強。利用主動激發的潘寧放電實現區分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學質譜計診斷技術已經被在一些國外托卡馬克上用來測量原料氣體D 2中H e, N e, A r等氣體成份的濃度了。
[0006]目前ITER在偏濾器區域的診斷建設計劃里面沒有包括任何類似類型的診斷，其離裝置最近的普通質譜儀(用來測量分壓的通用質譜儀)是在裝置下面大于10米的地方通過一個管道來對排出氣體取樣，因此ITER目前無法得到He分壓并且響應時間較長(秒量級)。在TEXT0R，ALT-1以及ALT-1I上均已經使用了該診斷并發現:He分壓在1E-3到IPa范圍內，其特征譜線和對應的壓強成線性關系；He的可測量最小濃度為1% ;系統的時間分辨率是毫秒量級。通過進一步的校準修正，可測量的壓強范圍可以進一步拓展和最小濃度都可以進一步降低。JET上的實驗發現:該系統可以測量的He分壓范圍是1E-3到IE-1Pa ；其可測的最小氣氣比是0.5%。后來在DII1-D, Tore-Supra等主流托卡馬克上也先后開展了相關的研究并取得了大量的實驗數據。
[0007]在L 模下的 TEXTOR 和 JT-60 以及 ELM-H 模下的 JT-60U、DII1-D 和 ASDEXU 上，都進行了中性束注入He研究偏濾器氦灰排出的模擬實驗。JT-60U上的早期實驗發現，對于敞開式的偏濾器無論是L模還是ELM-H模氦灰的排出都相當容易。實驗還發現內部輸運壘里面的He灰排出相對于勢壘外的要困難一倍以上，JT-60U此時的Pwk接近4。TEXTOR實驗發現其He灰清楚效率約是8 %，其Pwk處于10到30之間。
【發明內容】
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[0008]本發明的目的是解決聚變反應中無論是普通的商業質譜計還是高級的回旋質譜計，均無法區分的反應燃料氣體(D2)和反應產物氣體(He)的問題。利用主動激發的潘寧放電實現區分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學質譜計診斷技術，通過主動激發潘寧放電獲得的低溫等離子體進而利用干涉濾光片等一系列光學設計可以實現區分He和D2，從而快速、經濟、有效的實現對聚變反應中的原料氣體和反應產物氣體的區分。
[0009]一種利用潘寧放電區分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學質譜計診斷技術，包括用于產生等離子體的潘寧放電系統、準直透鏡組、高透過率光纖、分光鏡、準直鏡組、窄帶干涉濾光片、聚焦鏡組、光電倍增管、數據采集處理系統，其特征在于:利用氘氣(D2)和氦氣(He)放電產生的低溫等離子體發射特征光譜，He-1和D-α的波長迥異，將待測氣體氘氣(D2)和氦氣(He)引入電離室，安裝在電離室一側的潘寧放電系統電離該待測氣體產生低溫等離子體，隨后分析該等離子體產生發射的He-1和D-α光譜，進而測量出兩種氣體(He和D2)的絕對含量，具體包括以下步驟:
[0010]I) ,EAST是偏濾器位型托卡馬克裝置，該診斷系統的取樣管道與EAST偏濾器連接并從EAST偏濾器區域取樣待測氣體輸送到電離室；
[0011]2)、安裝在電離室一側的潘寧放電系統電離該待測氣體產生低溫等離子體；[0012]3)、電離室對稱的另一側設置有玻璃窗口和與之相連的聚焦準直透鏡組，低溫等離子體發射光從玻璃窗口射出，被聚焦準直透鏡組傳輸至光纖，經聚焦準直透鏡組準直和高透過率光纖耦合得到足夠強的光譜信號，該信號被傳送到遠離托卡馬克裝置的實驗控制室，所述的實驗控制室是低噪音低干擾環境的；
[0013]4)、在實驗控制室內，利用半透半反膜將將該強的光譜信號進行50 % -50 %分光，進而獲得兩路光強一致的光譜信號；兩路光譜信號分別經過兩組設置在不同光路上的準直透鏡組、干涉濾光片、聚焦透鏡組得到兩路特定波長的He-1和D- α光譜信號，He-1和D- α特定波長的光譜信號被光電倍增管PMT接收并轉化為電信號傳輸給信號采集系統，得到反應光譜信號強度的光譜數據；
[0014]5)、借助已知準確比例的He/D2混合氣體和標定后的精確的負壓規管對該系統進行定標，具體步驟如下:
[0015]①對一個內壁光潔的氣體混合儲氣罐烘烤抽氣，待真空優于IX 10_2Pa后再連續抽氣烘烤10小時；
[0016]②停止烘烤，開啟氣體混合儲氣罐上連接的對氣體種類無選擇性的真空規管；
[0017]③氣體混合儲氣罐的一側分別通過減壓閥連接D2和He儲氣罐，另一側通過微調閥連接電離室，當氣體混合儲氣罐內溫度降至室溫時，利用減壓閥向氣體混合儲氣罐里先充入He到氣體混合室氣壓為2 X IO4Pa,隨后充入D2到氣體混合室氣壓為IX IO5Pa,得到He =D2氣壓之比為1:4的混合氣體；
[0018]④將該混合氣體通過微調閥送入電離室，結合經過詳細標定修正的真空規管和抽氣機組控制真空室氣壓為P并利用潘寧放電系統對其電離；
[0019]⑤隨后通過上述診斷技術測量出He-1譜線和D-α光譜強度，在此基礎上結合已知總壓P和He/D2比例得出的He和D2的分壓；
[0020]⑥重復5-①?5-⑤步驟，在5-③中配置不同的He/D2比例。
[0021]⑦通過上述得到數組He和D2分壓以及對應的光譜信號強度數據，經過擬合后即可獲得適用于該診斷系統的He和D2分壓與對應的光譜強度之間的經驗公式，托卡馬克實驗過程中通過光譜信號獲得He、D2分壓的診斷技術得以實現。
[0022]所述的高透過率光纖是傳輸可見光波段的高透過率光纖，所述的光纖接收端準直透鏡組的波長范圍是585nm?660nm，所述的兩組設置在不同光路上的準直透鏡組、干涉濾光片、聚焦透鏡組投過的中心波長分別是587.5nm和656.3nm，所述的干涉濾光片的帶通是lnm，所述的真空抽氣機組是601/s的無油低振動泵，分光鏡是50% -50%功率分光鏡。
[0023]本發明的原理是:
[0024]利用主動激發的潘寧放電實現區分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學質譜計診斷技術，一是利用潘寧放電將托卡馬克中關心的殘余氣體電離獲得低溫等離子體方便進一步的研究，二是利用He-1和D-a在等離子體中的特征波長不同，借助于準直透鏡組、光纖以及干涉濾光片等光學設備的幫助實現實時監測He和D2含量的技術。
[0025]由于SOL層內部電子溫度在幾十甚至上百電子伏特m，導致該區域的譜線被多普勒展寬進而相互串擾，最終導致無法進行光譜測量。而潘寧放電和普通的射頻放電一樣所產生的是冷等離子體，其電子能量只有大約5eV。所以各個待測元素的線輻射寬度相對較窄不容易發生譜線串擾現象也進一步保證了進行后續的光譜分析的可靠穩定。[0026]本發明的有益效果在于:
[0027]本發明利用He-1和D_a在低溫等離子體中的特征波長不同，區分普通質譜計無法區分He和D2兩個分子質量數異常接近(He:4.003, D2:4.028)的聚變原料氣體(D2)和聚變產出氣體(He)，實現實時監測托卡馬克中He和D2演化的診斷技術，從而大大降低托卡馬克裝置中監測He和D2的技術難度，可以快速、經濟、有效的實現對托卡馬克殘余氣體中He和D2的實時監測，同時該診斷技術為將來ITER上可能的原位測量He/D2提供了直接的工程和物理經驗積累
【專利附圖】
【附圖說明】:
[0028]圖1是本發明的系統總體設計圖；
[0029]圖2是系統標定示意圖；
[0030]其中圖1中I為EAST偏濾器，2為中性氣體取樣管道，3為與裝置隔斷閥門；4為高透過率玻璃窗口，5為潘寧放電室，7為聚焦準直透鏡組，8為共透過率光纖，9為光電倍增管，10為He-1譜線的聚焦透鏡組，11為He-1譜線的窄帶濾光片，12為He-1譜線聚的焦準直透鏡組，13為50% -50%半透半反膜；
[0031]圖2中I為60bar的高壓高純氦氣儲氣罐，2為60bar的高壓高純氘氣儲氣罐，3為氦氣減壓閥門，4為氘氣減壓閥門，5為高精度電容薄膜規，6為混合氣體儲氣罐，7為微調閥門，8為經過標定的高精度熱陰極規管，9為潘寧放電室，10為玻璃窗口及相應的光學系統，11為高真空抽氣機組。
【具體實施方式】:
[0032]如圖1-2所示，一種利用潘寧放電區分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學質譜計診斷技術，利用氘氣(D2)和氦氣(He)放電產生的低溫等離子體發射光譜的特征波長迥異，將待測氣體氘氣(D2)和氦氣(He)引入電離室，借助潘寧放電系統電離該待測氣體產生低溫等離子體，隨后分析該等離子體產生發射光譜，進而測量出兩種氣體(也和隊)的絕對含量，具體包括以下步驟:
[0033]I)、EAST是偏濾器位型托卡馬克裝置，該診斷系統的取樣管道與EAST偏濾器連接并從EAST偏濾器區域取樣待測氣體輸送到電離室；
[0034]2)、安裝在電離室一側的潘寧放電系統電離該待測氣體產生低溫等離子體；
[0035]3)、電離室對稱的另一側設置有玻璃窗口和與之相連的聚焦準直透鏡組，低溫等離子體發射光從玻璃窗口射出，被聚焦準直透鏡組傳輸至光纖，經聚焦準直透鏡組準直和高透過率光纖耦合得到足夠強的光譜信號，該信號被傳送到遠離托卡馬克裝置的實驗控制室，所述的實驗控制室是低噪音低干擾環境的；
[0036]4)、在實驗控制室內，利用半透半反膜將將該強的光譜信號進行50% -50%分光，進而獲得兩路光強一致的光譜信號；兩路光譜信號分別經過兩組設置在不同光路上的準直透鏡組、干涉濾光片、聚焦透鏡組得到兩路特定波長He-1譜線和D- α光譜的光譜信號，He-1和D-α特定波長的光譜信號被光電倍增管PMT接收并轉化為電信號傳輸給信號采集系統，得到反應光譜信號強度的光譜數據；
[0037]5)、借助已知準確比例的He/D2混合氣體和標定后的精確的負壓規管對該系統進行定標，具體步驟如下:
[0038]①對一個內壁光潔的氣體混合儲氣罐烘烤抽氣，待真空優于I X 10_2Pa后再連續抽氣烘烤10小時；
[0039]②停止烘烤，開啟儲氣罐上連接的對氣體種類無選擇性的真空規管；
[0040]③氣體混合儲氣罐的一側分別通過減壓閥連接D2和He儲氣罐，另一側通過微調閥連接電離室，當氣體混合儲氣罐內溫度降至室溫時，利用減壓閥向氣體混合室先充入He到氣體混合室氣壓為2 X IO4Pa,隨后充入D2到氣體混合室氣壓為I X IO5Pa,得到He =D2氣壓之比為1:4的混合氣體；
[0041]④將該混合氣體通過微調閥送入電離室，結合經過詳細標定修正的真空規管和抽氣機組控制真空室氣壓為P并利用潘寧放電系統對其電離；
[0042]⑤隨后通過上述診斷技術測量出He-1譜線和D-α光譜強度，在此基礎上結合已知總壓P和He/D2比例得出的He和D2的分壓；
[0043]⑥重復5-①?5-⑤步驟，在5-③中配置不同的He/D2比例。
[0044]⑦通過上述得到數組He和D2分壓以及對應的光譜信號強度數據，經過擬合后即可獲得適用于該診斷系統的He和D2分壓與對應的光譜強度之間的經驗公式，區分普通商業質譜計無法區分He和D2兩個分子質量數異常接近(He:4.003，D2:4.028)的聚變原料氣體(D2)和聚變產出氣體(He)，托卡馬克實驗過程中通過光譜信號獲得He、D2分壓的診斷技術得以實現。
[0045]所述的高透過率光纖是傳輸可見光波段的高透過率光纖，所述的光纖接收端準直透鏡組的波長范圍是585nm?660nm，所述的兩組設置在不同光路上的準直透鏡組、干涉濾光片、聚焦透鏡組投過的中心波長分別是587.5nm和656.3nm，所述的干涉濾光片的帶通是lnm，所述的真空抽氣機組是601/s的無油低振動泵，分光鏡是50% -50%功率分光鏡。
[0046]利用主動激發的潘寧放電實現區分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學質譜計診斷技術，通過實驗標定發現在一定真空壓強范圍內(IX 10_4Pa?5X 10_2Pa)光強信號與分壓強存在明顯的線性關系、分辨率達到7X10_5Pa、暗電流小于ΙΟηΑ、信噪比約86dB。通過更換干涉濾光片以及濾光片前面準直透鏡組的部分透鏡可以輕易的實現監測其它氣體(如Ne、Ar等)演化的目的，同時該診斷技術為ITER以及將來DEMO上可能的原位測量He/D2提供了直接的工程和物理經驗積累。。
【權利要求】
1.一種利用潘寧放電區分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學質譜計診斷技術，其特征在于:利用氘氣(D2)和氦氣(He)放電產生的低溫等離子體所發射光譜的特征光譜He-1和D-α波長迥異進行區分仏和抱的診斷技術；將待測氣體(D2和He的混合氣體)引入電離室，安裝在電離室一側的潘寧放電系統電離該待測的中性氣體產生低溫等離子體，隨后分析該等離子體產生的He-1譜線和D-α譜線，進而測量出兩種氣體(He和D2)的絕對含量，具體包括以下步驟: 1)、EAST是偏濾器位型托卡馬克裝置，該診斷系統的取樣管道與EAST偏濾器連接并從EAST偏濾器區域取樣待測氣體輸送到電離室； 2)、安裝在電離室一側的潘寧放電系統電離該待測氣體產生低溫等離子體； 3)、電離室對稱的另一側設置有玻璃窗口和與之相連的聚焦準直透鏡組，低溫等離子體發射光從玻璃窗口射出，被聚焦準直透鏡組傳輸至光纖，經聚焦準直透鏡組準直和高透過率光纖耦合得到足夠強的光譜信號，該信號被傳送到遠離托卡馬克裝置的實驗控制室； 4)、在實驗控制室內，利用半透半反膜將將該強的光譜信號進行50%-50%分光，進而獲得兩路光強一致的光譜信號；兩路光譜信號分別經過兩組設置在不同光路上的準直透鏡組、干涉濾光片、聚焦透鏡組，得到兩路特定波長的He-1和D-α光譜信號，He-1和D-α特定波長的光譜信號被光電倍增管PMT接收并轉化為電信號傳輸給信號采集系統，得到反應光譜信號強度的光譜數據； 5)、借助已知準確比例的He/D2混合氣體和標定后精確的真空規管對該系統進行定標，具體步驟如下: ①對一個內壁光潔的氣體混合儲氣罐烘烤抽氣，待真空優于IXKT2Pa后再連續抽氣烘烤10小時； ②停止烘烤，開啟氣體混合儲氣罐上連接的對氣體種類無選擇性的電容真空規管； ③氣體混合儲氣罐的一側分別通過減壓閥連接高純D2(99.9999%)儲氣罐和高純He(99.9999%)儲氣罐，另一側通過微調閥連接電離室，當氣體混合儲氣罐內溫度降至室溫時，利用減壓閥向氣體混合室先充入He到氣體混合室氣壓為2X IO4Pa,隨后充入D2到氣體混合儲氣罐氣壓為IX IO5Pa,得到He =D2氣壓之比為1:4的混合氣體； ④將該混合氣體通過微調閥送入電離室，結合經過詳細標定修正的真空規管和抽氣機組控制真空室氣壓為P并利用潘寧放電系統對其電離； ⑤隨后通過上述診斷技術測量出He-1譜線和D-α光譜強度，在此基礎上結合已知總壓P和He/D2比例得出的He和D2的分壓； ⑥重復5-①~5-⑤步驟，在5-③中配置不同的He/D2比例； ⑦通過上述得到數組He和D2分壓以及對應的光譜信號強度數據，經過擬合后即可獲得適用于該診斷系統的He和D2分壓與對應的光譜強度之間關系的經驗公式，托卡馬克實驗過程中通過光譜信號獲得He、D2分壓的診斷技術得以實現。
2.根據權利要求1所述的利用潘寧放電區分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學質譜計診斷技術，其特征在于:所述的光纖接收端準直透鏡組的波長范圍是585nm~660nm。
3.根據權利要求1所述的利用潘寧放電區分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學質譜計診斷技術，其特征在于:所述的兩組設置在不同光路上的準直透鏡組、干涉濾光片、聚焦透鏡組透過的光譜中心波長分別是587.5nm和656.3nm。
4.根據權利要求1所述的利用潘寧放電區分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學質譜計診斷技術，其特征在于:所述的干涉濾光片的帶通是lnm。
5.根據權利要求1所述的利用潘寧放電區分托卡馬克殘余氣體中氦與氘的光學質譜計診斷技術， 其特征在于:所述的真空抽氣機組是601/s的無油低振動泵。
【文檔編號】G01N27/68GK103995047SQ201410108391
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年3月22日 優先權日:2014年3月22日
【發明者】王厚銀, 胡建生 申請人:中國科學院等離子體物理研究所