專利名稱：在線檢測(cè)托卡馬克鎢第一壁灰塵成分及厚度的太赫茲方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及核聚變與光學(xué)診斷領(lǐng)域，特別涉及在線檢測(cè)托卡馬克鎢第一壁灰塵成分及厚度的太赫茲方法，本發(fā)明與傳統(tǒng)的熱電偶溫度計(jì)相比，能夠快速、同步地返回溫度數(shù)據(jù)，且無接觸無損傷。
背景技術(shù)：
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(shí)域光譜系統(tǒng)是一種相干探測(cè)技術(shù)，能夠同時(shí)獲得太赫茲脈沖的振幅信息和相位信息，通過對(duì)時(shí)間波形進(jìn)行傅立葉變換能直接得到樣品的吸收系數(shù)和折射率等光學(xué)參數(shù)。太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)探測(cè)靈敏度很高，所以已經(jīng)廣泛應(yīng)用于材料性質(zhì)的分析中。理論及實(shí)驗(yàn)研究表明，很多工業(yè)材料用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)探測(cè)，能有效的產(chǎn)生共振吸收峰，從而提供了特征指紋譜，并可以進(jìn)行探測(cè)識(shí)別。同時(shí)，在某些環(huán)境下，太赫茲波具有獨(dú)特的強(qiáng)透射能力和低輻射能量的特點(diǎn)，不會(huì)對(duì)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(xiàn)出零吸收的特性，這就使用太赫茲波來檢測(cè)托卡馬克裝置中灰塵沉積層的厚度以及成分提供了可能性。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(huì)產(chǎn)生灰塵?；覊m的成因非常復(fù)雜，涉及到多種等離子過程，同時(shí)灰塵顆粒打擊或者沉積到第一壁上時(shí)有可能改變壁材料的熱傳導(dǎo)率及其他性質(zhì)?；覊m問題已經(jīng)成為聚變領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問題。到目前為止，觀察灰塵的主要方法是快速相機(jī)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(shí)際工作條件中，有這樣一種可以在線無損傷檢測(cè)托卡馬克裝置灰塵沉積層厚度及成分的方法就顯得十分重要。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)、猛(Mn)等,理論模擬計(jì)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(shí)別，不同成分與鎢表面結(jié)合的太赫茲頻域譜特征譜線出現(xiàn)的位置不同，同時(shí)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，但是譜線強(qiáng)度會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，根據(jù)這一特征，可以結(jié)合模擬實(shí)驗(yàn)及分子動(dòng)力學(xué)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，將實(shí)驗(yàn)所得與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比，從而首先確定沉積層成分，對(duì)于每一種成分，隨著薄膜厚度的增加，太赫茲頻域譜相對(duì)強(qiáng)度比會(huì)發(fā)生變化，由此推演出相對(duì)強(qiáng)度比R隨薄膜厚度d變化的函數(shù)關(guān)系R=f(d)，將以上模擬結(jié)果集成為計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)，將鎢表面灰塵沉積層與該沉積層標(biāo)定厚度(如I μ m)的譜線強(qiáng)度相比得到相對(duì)強(qiáng)度比，帶入到數(shù)據(jù)庫(kù)函數(shù)關(guān)系，以此確定出托卡馬克裝置鎢第一壁灰塵沉積層厚度，從而達(dá)到同步在線且無損傷檢測(cè)沉積層成分及厚度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的:為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)問題，提供在線檢測(cè)托卡馬克鎢第一壁灰塵成分及厚度的太赫茲方法，利用反射太赫茲時(shí)域譜技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠快速、同步檢測(cè)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。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明才有的技術(shù)方案是:提供了一種在線檢測(cè)托卡馬克鎢第一壁灰塵成分及厚度的太赫茲方法，包括以下步驟:
步驟1:在托卡馬克磁約束聚變裝置工作時(shí)，將太赫茲波垂直入射到需要檢測(cè)的區(qū)域，即托卡馬克鎢第一壁，探頭測(cè)量并記錄由托卡馬克鎢第一壁反射回的太赫茲時(shí)域波譜
QrCO ;
步驟2:分析處理上述太赫茲時(shí)域波譜07>(0 ,將太赫茲時(shí)域波譜在有效頻域內(nèi)做傅里葉變換，得到太赫茲頻域譜Ρτ.( );
步驟3:計(jì)算機(jī)理論模擬不同灰塵成分沉積在鎢第一壁上的太赫茲頻域譜F7(Oj),并記錄不同灰塵成分的太赫茲特征譜線位置；對(duì)于同一種灰塵成分，模擬不同厚度與標(biāo)定厚度(如I μ m)時(shí)太赫茲特征譜線的相對(duì)強(qiáng)度比，得到每一種灰塵成分的沉積層厚度d與相對(duì)強(qiáng)度比R的函數(shù)關(guān)系R=f (d)，集成為計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)；
步驟4:選取步驟2實(shí)驗(yàn)所得的太赫茲頻域譜Fr(o0的特征譜線，將此太赫茲特征譜線位置與數(shù)據(jù)庫(kù)中不同灰塵的太赫茲特征譜線位置相比對(duì)，確定灰塵成分；
步驟5:確定灰塵成分后，將該灰塵成分的太赫茲特征譜線與數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)定厚度的太赫茲特征譜線相比較，得到相對(duì)強(qiáng)度比，再與數(shù)據(jù)庫(kù)中的沉積層厚度-相對(duì)強(qiáng)度比的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行對(duì)照，確定沉積層厚度；
步驟6:將托卡馬克鎢第一壁沉積層成分 及厚度信息輸出，并保存于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，完成對(duì)托卡馬克鎢第一壁灰塵成分及厚度的檢測(cè)。
本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明利用反射太赫茲時(shí)域譜技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)，為快速、同步檢測(cè)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，在磁約束裝置窗口外向托卡馬克第一壁探測(cè)區(qū)域發(fā)射太赫茲波，并接收反射時(shí)域譜，將其轉(zhuǎn)換成頻域譜，最后與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，確定灰塵成分和沉積層厚度，從而達(dá)到同步在線且無接觸無損傷檢測(cè)。


圖1為本發(fā)明在線檢測(cè)托卡馬克鎢第一壁灰塵成分及厚度的太赫茲方法流程示意圖。圖2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3為同一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4為數(shù)據(jù)庫(kù)中不同灰塵成分沉積層厚度-相對(duì)強(qiáng)度比關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。參照?qǐng)D1，一種在線檢測(cè)托卡馬克鎢第一壁灰塵成分及厚度的太赫茲方法，如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)、猛(Mn)等,具體實(shí)施包括以下步驟:步驟1:在托卡馬克磁約束聚變裝置工作時(shí)，將太赫茲波垂直入射到需要檢測(cè)的區(qū)域，即托卡馬克鎢第一壁，探頭測(cè)量并記錄由托卡馬克鎢第一壁反射回的太赫茲時(shí)域波譜QrCt);
步驟2:分析處理上述太赫茲時(shí)域波譜,將太赫茲時(shí)域波譜QrCt)在有效頻域內(nèi)做傅里葉變換，得到太赫茲頻域譜；
步驟3:計(jì)算機(jī)理論模擬不同灰塵成分沉積在鎢第一壁上的太赫茲頻域譜『#.0^_,并記錄不同灰塵成分的太赫茲特征譜線位置；對(duì)于同一種灰塵成分，模擬不同厚度與標(biāo)定厚度(如I y m)時(shí)太赫茲特征譜線的相對(duì)強(qiáng)度比，得到每一種灰塵成分的沉積層厚度d與相對(duì)強(qiáng)度比R的函數(shù)關(guān)系R=f (d)，集成為計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)；
步驟4:選取步驟2實(shí)驗(yàn)所得的太赫茲頻域譜FrU。)的特征譜線，將此太赫茲特征譜線位置與數(shù)據(jù)庫(kù)中不同灰塵的太赫茲特征譜線位置相比對(duì)，確定灰塵成分；
步驟5:確定灰塵成分后，將該灰塵成分的太赫茲特征譜線與數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)定厚度的太赫茲特征譜線相比較，得到相對(duì)強(qiáng)度比，再與數(shù)據(jù)庫(kù)中的沉積層厚度-相對(duì)強(qiáng)度比的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行對(duì)照，確定沉積層厚度；
步驟6:將托卡馬克鎢第一壁沉積層成分及厚度信息輸出，并保存于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，完成對(duì)托卡馬克鎢第一壁灰塵成分及厚度的檢測(cè)。圖2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頻移示意圖，模擬結(jié)果為:不同的成分沉積在鎢表面上，由于在太赫茲區(qū)域可以特征識(shí)別，因此在太赫茲頻域譜特征譜線峰值位置不同，因此，根據(jù)這一特性，可以由頻域譜特征譜線位置來推斷灰塵成分。圖3為同一種灰塵 成分當(dāng)沉積厚度不同時(shí)，太赫茲頻域譜特征譜線位置相同，但是特征譜線的強(qiáng)度不同，因此根據(jù)這一特征，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(shù)據(jù)庫(kù)該成分標(biāo)定厚度(如I μ m)的特征譜線強(qiáng)度相對(duì)比得到相對(duì)強(qiáng)度比，據(jù)此來推斷灰塵沉積層厚度。圖4為數(shù)據(jù)庫(kù)模擬的沉積層厚度-相對(duì)強(qiáng)度比函數(shù)關(guān)系圖。理論上可計(jì)算出該灰塵沉積在鎢表面不同厚度與標(biāo)定厚度(如I μ m)的頻域譜特征譜線的相對(duì)強(qiáng)度比，得到沉積層厚度d與相對(duì)強(qiáng)度比R的函數(shù)關(guān)系R=f(d)，讀取該灰塵成分，選取特征譜線，得到該厚度與標(biāo)定厚度譜線的相對(duì)強(qiáng)度比，與數(shù)據(jù)庫(kù)函數(shù)關(guān)系比對(duì)，從而確定灰塵沉積層厚度。理論模擬計(jì)算后，可以擬合不同沉積成分的沉積層厚度-相對(duì)強(qiáng)度比的函數(shù)變化關(guān)系，從而將實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)果相比照，可得沉積層厚度。以上內(nèi)容是結(jié)合優(yōu)選技術(shù)方案對(duì)本發(fā)明所做的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定發(fā)明的具體實(shí)施僅限于這些說明。對(duì)本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思的前提下，還可以做出簡(jiǎn)單的推演及替換，都應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.線檢測(cè)托卡馬克鎢第一壁灰塵成分及厚度的太赫茲方法，包括以下步驟: 步驟1:在托卡馬克磁約束聚變裝置工作時(shí)，將太赫茲波垂直入射到需要檢測(cè)的區(qū)域，即托卡馬克鎢第一壁，探頭測(cè)量并記錄由托卡馬克鎢第一壁反射回的太赫茲時(shí)域波譜QrW ； 步驟2:分析處理上述太赫茲時(shí)域波譜Qy(0 ,將太赫茲時(shí)域波譜在有效頻域內(nèi)做傅里葉變換，得到太赫茲頻域譜Ff a))； 步驟3:計(jì)算機(jī)理論模擬不同灰塵成分沉積在鎢第一壁上的太赫茲頻域譜1^(^),并記錄不同灰塵成分的太赫茲特征譜線位置；對(duì)于同一種灰塵成分，模擬不同厚度與標(biāo)定厚度時(shí)太赫茲特征譜線的相對(duì) 強(qiáng)度比，得到每一種灰塵成分的沉積層厚度d與相對(duì)強(qiáng)度比R的函數(shù)關(guān)系R=f(d)，集成為計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)； 步驟4:選取步驟2實(shí)驗(yàn)所得的太赫茲頻域譜Fr(O).)的特征譜線，將此太赫茲特征譜線位置與數(shù)據(jù)庫(kù)中不同灰塵的太赫茲特征譜線位置相比對(duì)，確定灰塵成分； 步驟5:確定灰塵成分后，將該灰塵成分的太赫茲特征譜線與數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)定厚度的太赫茲特征譜線相比較，得到相對(duì)強(qiáng)度比，再與數(shù)據(jù)庫(kù)中的沉積層厚度-相對(duì)強(qiáng)度比的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行對(duì)照，確定沉積層厚度； 步驟6:將托卡馬克鎢第一壁沉積層成分及厚度信息記錄保存于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)并輸出，達(dá)到同步、快速檢測(cè)托卡馬克裝置鎢第一壁灰塵沉積層成分及厚度。
全文摘要
本發(fā)明涉及核聚變與光學(xué)診斷領(lǐng)域，公開了一種在線檢測(cè)托卡馬克鎢第一壁灰塵成分及厚度的太赫茲方法。首先從窗口外向檢測(cè)區(qū)域垂直射入太赫茲波，探頭測(cè)量并記錄由鎢第一壁反射回的太赫茲時(shí)域波譜；將其在有效頻域內(nèi)做傅里葉變換得到頻域譜；數(shù)據(jù)自動(dòng)選取特征譜線，與數(shù)據(jù)庫(kù)中不同灰塵的太赫茲特征譜線位置相比對(duì)，確定灰塵成分；確定灰塵成分后，將該灰塵成分與數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)定厚度的太赫茲特征譜線比較得到相對(duì)強(qiáng)度比，再與數(shù)據(jù)庫(kù)中的沉積層厚度-相對(duì)強(qiáng)度比的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行對(duì)照，確定沉積層厚度。本發(fā)明利用反射太赫茲時(shí)域譜技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠達(dá)到同步在線且無接觸無損傷檢測(cè)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。
文檔編號(hào)G01N21/25GK103091259SQ201310035759
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月30日
發(fā)明者信裕, 海然, 丁洪斌, 哈桑 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)