在线检测托卡马克钨第一壁灰尘成分及厚度的太赫兹方法

摘要

本发明涉及核聚变与光学诊断领域，公开了一种在线检测托卡马克钨第一壁灰尘成分及厚度的太赫兹方法。首先从窗口外向检测区域垂直射入太赫兹波，探头测量并记录由钨第一壁反射回的太赫兹时域波谱；将其在有效频域内做傅里叶变换得到频域谱；数据自动选取特征谱线，与数据库中不同灰尘的太赫兹特征谱线位置相比对，确定灰尘成分；确定灰尘成分后，将该灰尘成分与数据库标定厚度的太赫兹特征谱线比较得到相对强度比，再与数据库中的沉积层厚度-相对强度比的函数关系进行对照，确定沉积层厚度。本发明利用反射太赫兹时域谱技术结合计算机数据库，能够达到同步在线且无接触无损伤检测磁约束聚变托卡马克装置钨第一壁灰尘沉积层成分以及厚度。

说明书

技术领域

本发明涉及核聚变与光学诊断领域，特别涉及在线检测托卡马克钨第一壁灰尘成分及厚度的太赫兹方法，本发明与传统的热电偶温度计相比，能够快速、同步地返回温度数据，且无接触无损伤。

背景技术

太赫兹（Terahertz or THz）波通常指的是频率处在0.1THz~10THz之间的电磁波，介于微波和红外之间。太赫兹时域光谱系统是一种相干探测技术，能够同时获得太赫兹脉冲的振幅信息和相位信息，通过对时间波形进行傅立叶变换能直接得到样品的吸收系数和折射率等光学参数。太赫兹时域光谱技术探测灵敏度很高，所以已经广泛应用于材料性质的分析中。理论及实验研究表明，很多工业材料用太赫兹时域光谱技术探测，能有效的产生共振吸收峰，从而提供了特征指纹谱，并可以进行探测识别。同时，在某些环境下，太赫兹波具有独特的强透射能力和低辐射能量的特点，不会对材料造成伤害，而且具有高功率及高分辨率。在高密度、高温、磁化等离子体中，太赫兹波同样也表现出零吸收的特性，这就使用太赫兹波来检测托卡马克装置中灰尘沉积层的厚度以及成分提供了可能性。

在核聚变托卡马克装置中，等离子体与壁材料相互作用将会产生灰尘。灰尘的成因非常复杂，涉及到多种等离子过程，同时灰尘颗粒打击或者沉积到第一壁上时有可能改变壁材料的热传导率及其他性质。灰尘问题已经成为聚变领域的一个热点问题。到目前为止，观察灰尘的主要方法是快速相机拍摄的方法，或者使用气凝胶采集器壁上灰尘样本颗粒的方法，从而得到灰尘颗粒的速度、尺寸等方面的信息，因此在实际工作条件中，有这样一种可以在线无损伤检测托卡马克装置灰尘沉积层厚度及成分的方法就显得十分重要。

托卡马克装置中灰尘成分主要有钨（W）、铍（Be）、钼（Mo）、碳（C）、硼（B）、氧（O）、硅（Si）、铬（Cr）、锰（Mn）等，理论模拟计算表明，这些成分沉积在钨第一壁上在太赫兹波段的吸收谱可以特征识别，不同成分与钨表面结合的太赫兹频域谱特征谱线出现的位置不同，同时同一成分随着沉积在钨上薄膜厚度的变化，虽然太赫兹波射入第一壁反射回的太赫兹频域谱的特征谱线位置不变，但是谱线强度会发生相应的变化，根据这一特征，可以结合模拟实验及分子动力学方法确定不同成分沉积在钨表面若干条特征谱线峰值位置，将实验所得与理论计算结果对比，从而首先确定沉积层成分，对于每一种成分，随着薄膜厚度的增加，太赫兹频域谱相对强度比会发生变化，由此推演出相对强度比R随薄膜厚度d变化的函数关系R=f(d)，将以上模拟结果集成为计算机数据库，将钨表面灰尘沉积层与该沉积层标定厚度（如1μm）的谱线强度相比得到相对强度比，带入到数据库函数关系，以此确定出托卡马克装置钨第一壁灰尘沉积层厚度，从而达到同步在线且无损伤检测沉积层成分及厚度。

发明内容

本发明的目的：为了解决上述现有技术中的技术问题，提供在线检测托卡马克钨第一壁灰尘成分及厚度的太赫兹方法，利用反射太赫兹时域谱技术结合计算机数据库，能够快速、同步检测磁约束聚变托卡马克装置钨第一壁灰尘沉积层成分以及厚度。

为达到上述目的，本发明才有的技术方案是：提供了一种在线检测托卡马克钨第一壁灰尘成分及厚度的太赫兹方法，包括以下步骤：

步骤1：在托卡马克磁约束聚变装置工作时，将太赫兹波垂直入射到需要检测的区域，即托卡马克钨第一壁，探头测量并记录由托卡马克钨第一壁反射回的太赫兹时域波谱                                               ；

步骤2：分析处理上述太赫兹时域波谱，将太赫兹时域波谱在有效频域内做傅里叶变换，得到太赫兹频域谱；

步骤3：计算机理论模拟不同灰尘成分沉积在钨第一壁上的太赫兹频域谱，并记录不同灰尘成分的太赫兹特征谱线位置；对于同一种灰尘成分，模拟不同厚度与标定厚度（如1μm）时太赫兹特征谱线的相对强度比，得到每一种灰尘成分的沉积层厚度d与相对强度比R的函数关系R=f(d)，集成为计算机数据库；

步骤4：选取步骤2实验所得的太赫兹频域谱的特征谱线，将此太赫兹特征谱线位置与数据库中不同灰尘的太赫兹特征谱线位置相比对，确定灰尘成分；

步骤5：确定灰尘成分后，将该灰尘成分的太赫兹特征谱线与数据库标定厚度的太赫兹特征谱线相比较，得到相对强度比，再与数据库中的沉积层厚度-相对强度比的函数关系进行对照，确定沉积层厚度；

步骤6：将托卡马克钨第一壁沉积层成分及厚度信息输出，并保存于计算机系统中，完成对托卡马克钨第一壁灰尘成分及厚度的检测。

 

本发明的有益效果是：本发明利用反射太赫兹时域谱技术结合计算机数据库，为快速、同步检测磁约束聚变托卡马克装置钨第一壁灰尘沉积层成分以及厚度提供了条件，在磁约束装置窗口外向托卡马克第一壁探测区域发射太赫兹波，并接收反射时域谱，将其转换成频域谱，最后与计算机数据库进行比对，确定灰尘成分和沉积层厚度，从而达到同步在线且无接触无损伤检测。

附图说明

图1为本发明在线检测托卡马克钨第一壁灰尘成分及厚度的太赫兹方法流程示意图。

图2为不同灰尘成分沉积在钨表面上的太赫兹频域谱特征谱线示意图。

图3为同一种灰尘成分不同厚度沉积在钨表面的太赫兹频域谱特征谱线示意图。

图4为数据库中不同灰尘成分沉积层厚度-相对强度比关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1，一种在线检测托卡马克钨第一壁灰尘成分及厚度的太赫兹方法，如托卡马克装置中灰尘成分主要有钨（W）、铍（Be）、钼（Mo）、碳（C）、硼（B）、氧（O）、硅（Si）、铬（Cr）、锰（Mn）等，具体实施包括以下步骤：

步骤1：在托卡马克磁约束聚变装置工作时，将太赫兹波垂直入射到需要检测的区域，即托卡马克钨第一壁，探头测量并记录由托卡马克钨第一壁反射回的太赫兹时域波谱；

步骤2：分析处理上述太赫兹时域波谱，将太赫兹时域波谱在有效频域内做傅里叶变换，得到太赫兹频域谱；

步骤3：计算机理论模拟不同灰尘成分沉积在钨第一壁上的太赫兹频域谱，并记录不同灰尘成分的太赫兹特征谱线位置；对于同一种灰尘成分，模拟不同厚度与标定厚度（如1μm）时太赫兹特征谱线的相对强度比，得到每一种灰尘成分的沉积层厚度d与相对强度比R的函数关系R=f(d)，集成为计算机数据库；

步骤4：选取步骤2实验所得的太赫兹频域谱的特征谱线，将此太赫兹特征谱线位置与数据库中不同灰尘的太赫兹特征谱线位置相比对，确定灰尘成分；

步骤5：确定灰尘成分后，将该灰尘成分的太赫兹特征谱线与数据库标定厚度的太赫兹特征谱线相比较，得到相对强度比，再与数据库中的沉积层厚度-相对强度比的函数关系进行对照，确定沉积层厚度；

步骤6：将托卡马克钨第一壁沉积层成分及厚度信息输出，并保存于计算机系统中，完成对托卡马克钨第一壁灰尘成分及厚度的检测。

图2为不同灰尘成分沉积在钨表面上的太赫兹频域谱特征谱线频移示意图，模拟结果为：不同的成分沉积在钨表面上，由于在太赫兹区域可以特征识别，因此在太赫兹频域谱特征谱线峰值位置不同，因此，根据这一特性，可以由频域谱特征谱线位置来推断灰尘成分。

图3为同一种灰尘成分当沉积厚度不同时，太赫兹频域谱特征谱线位置相同，但是特征谱线的强度不同，因此根据这一特征，可以在确定灰尘成分后，将得到的太赫兹频域谱特征谱线与数据库该成分标定厚度（如1μm）的特征谱线强度相对比得到相对强度比，据此来推断灰尘沉积层厚度。

图4为数据库模拟的沉积层厚度-相对强度比函数关系图。理论上可计算出该灰尘沉积在钨表面不同厚度与标定厚度（如1μm）的频域谱特征谱线的相对强度比，得到沉积层厚度d与相对强度比R的函数关系R=f(d)，读取该灰尘成分，选取特征谱线，得到该厚度与标定厚度谱线的相对强度比，与数据库函数关系比对，从而确定灰尘沉积层厚度。

理论模拟计算后，可以拟合不同沉积成分的沉积层厚度-相对强度比的函数变化关系，从而将实验与理论结果相比照，可得沉积层厚度。

以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。