基于热电偶的用于测量强流粒子束准实时功率的新方案

摘要

本发明公开了一种基于热电偶的用于测量强流粒子束准实时功率的新方案，安装并布局热电偶；获取热电偶信号；处理热电偶信号：按照热电偶在功率测量靶的分布情况，建立相应坐标系，从而得到各热电偶安装坐标，结合热电偶的分布坐标和各热电偶的温升数据得到功率测量靶的温升分布，由热电偶数据处理系统通过计算得到各测量点的热流密度；依据上述测量点的热流密度即可得到各测量点的功率密度；然后通过上述各测量值进行数值拟合得到功率测量靶整个面上的功率密度分布函数，对该函数在整个面上进行面积分就得到功率测量靶上在某时刻的准实时功率。本发明可以快速、精确地测出当前强流粒子束准实时功率，大大提高了测量效率。

说明书

技术领域

    本发明涉及大功率粒子束束功率测量技术领域，具体涉及到一种基于热电偶的用于测量强流粒子束准实时功率的新方案。

背景技术

强流粒子束不仅可以用于磁约束核聚变反应中的等离子体加热，还可以用于模拟裂变/聚变堆中的强辐射环境及热负荷等，研究极端条件下的材料特性及演化进程，在国家的能量安全方面有着至关重要的地位。强流粒子束（准）实时功率不仅是对粒子束加热效率的反映，还是研究热核反应壁材料实验中一个非常重要的参数。

对于强流粒子束，其束功率的通常测量方法一般是采用水流累积量热法，即粒子束打在测量靶时束能量转化为靶的内能，利用冷却水带走靶板的热量，通过计算水流带走的热量来计算出粒子束的功率。这种测量方法存在一个问题：即在一个脉冲周期内，无法测量束流的实时功率，直到该脉冲结束后才可以计算出束流的平均功率，它反映的是束功率的平均等效结果，而非实时功率。而在强流粒子束的应用当中，如中性束注入的加热效率研究、壁材料的高热负荷评估、溅射刻蚀率、H同位素滞留等，须确切知道束流的实时功率，这样对实验研究更有意义，所以WFC这种测量方法由于原理的限制无法满足对稳态强流粒子束实时功率测量的要求。本发明提出一种全新的测量方法来解决强流粒子束束（准）实时功率测量的方法。即在功率测量靶内安装快速响应的热电偶（响应时间小于20ms），结合温度高速数据采集系统，通过对靶板实时温度的分析来获得稳态强流粒子束的（准）实时功率。

发明内容

本发明提供了一种基于热电偶的用于测量强流粒子束准实时功率的新方案，以解决当前强流粒子束束功率（准）实时测量的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于热电偶的用于测量强流粒子束准实时功率的新方案，其特征在于，包括以下步骤：

（1）安装并布局热电偶

依据粒子束的功率和功率测量靶的形状选择恰当的热电偶安装方式，依据离子源束流引出面选择恰当的热电偶安装布局；

其中，热电偶的典型安装方式有以下两种：一是将热电偶安装于固定模块中，然后再将固定模块通过螺纹固定在功率测量靶上；二是直接将热电偶安装在功率测量靶的安装孔内；

热电偶的典型安装布局方式有以下两种：一是各热电偶沿圆周均匀分布，圆周的直径从内到外递增，但每个圆周上热电偶的数量相同；二是各热电偶呈正方形排列，各排各列的热电偶的数量相同；

（2）获取热电偶信号

依据所选的热电偶的响应时间，选择合适采样率的热电偶数据高速采集系统，然后通过热电偶补偿导线将热电偶与热电偶数据高速采集系统相连接；

（3）处理热电偶信号

按照热电偶在功率测量靶的分布情况，建立相应坐标系，从而得到各热电偶安装坐标，结合热电偶的分布坐标和各热电偶的温升数据得到功率测量靶的温升分布，由热电偶数据处理系统通过计算得到各测量点的热流密度；通常情况下，热流密度的值与功率密度相当，依据上述测量点的热流密度即可得到各测量点的功率密度；然后通过上述各测量值进行数值拟合得到功率测量靶整个面上的功率密度分布函数，对该函数在整个面上进行面积分就得到功率测量靶上在某时刻的准实时功率。

所述的基于热电偶的用于测量强流粒子束准实时功率的新方案，其特征在于，所述热电偶为响应速度快的热电偶，其响应时间小于20ms。

本发明的原理是：

要实现强流粒子束（准）实时功率测量，所选用的热电偶的热响应时间须满足高速采集的要求，响应时间不大于20ms，如采用热电偶导线线径为0.3mm的裸热电偶。按照束的功率选定合适的安装方式，安装的原则在保证热电偶安全的情况下，尽可能让热电偶接近受粒子束轰击的功率测量靶的表面，以获取最真实的温升情况，粒子束（准）实时功率的获取是通过热电偶数据获取和处理系统完成的。热电偶数据获取系统通过热电偶补偿导线与热电偶相连接，为了能获得粒子束的（准）实时功率，要求获取系统须具备较高的采样率，可实现毫秒级的时间分辨率。

本发明的优点是：

本发明解决了当前强流粒子束准实时功率的测量问题，可以快速、精确地测出该实时功率，大大提高了测量效率。

附图说明

图1为功率测量靶上的第一种常用的热电偶安装方式示意图。

图2为功率测量靶上的第二种常用的热电偶安装方式示意图。

图3为功率测量靶上的第一种热电偶安装布局方式示意图。

图4为功率测量靶上的第二种热电偶安装布局方式示意图。

图5为功率测量靶热电偶数据获取与处理流程图。

具体实施方式

一种基于热电偶的用于测量强流粒子束准实时功率的新方案，包括以下步骤：

（1）安装并布局热电偶

依据粒子束的功率和功率测量靶的形状选择恰当的热电偶安装方式，依据离子源束流引出面选择恰当的热电偶安装布局；

如图1、2所示，热电偶的典型安装方式有以下两种：一是将热电偶安装于固定模块中，然后再将固定模块通过螺纹固定在功率测量靶上；二是直接将热电偶安装在功率测量靶的安装孔内；

如图3、4所示，热电偶的典型安装布局方式有以下两种：一是各热电偶沿圆周均匀分布，圆周的直径从内到外递增，但每个圆周上热电偶的数量相同；二是各热电偶呈正方形排列，各排各列的热电偶的数量相同；

热电偶的安装要满足一定的数量并且要符合一定的布局，合理的布局和尽可能多的热电偶的数量可以提高功率测量的精度，同时还便于后期数据的处理和分析；

（2）获取热电偶信号

依据所选的热电偶的响应时间，选择合适采样率的热电偶数据高速采集系统，然后通过热电偶补偿导线将热电偶与热电偶数据高速采集系统相连接；

（3）处理热电偶信号

如图3所示，按照热电偶在功率测量靶的分布情况，建立相应坐标系，从而得到各热电偶安装坐标，结合热电偶的分布坐标和各热电偶的温升数据得到功率测量靶的温升分布，由热电偶数据处理系统通过计算得到各测量点的热流密度；通常情况下，热流密度的值与功率密度相当，依据上述测量点的热流密度即可得到各测量点的功率密度；然后通过上述各测量值进行数值拟合得到功率测量靶整个面上的功率密度分布函数，对该函数在整个面上进行面积分就得到功率测量靶上在某时刻的准实时功率。

热电偶为响应速度快的热电偶，其响应时间小于20ms。