CN105203501A - 一种托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及核聚变与光学诊断技术领域，提供一种托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的测量装置，包括：激光入射单元、干涉单元、相移单元、图像采集单元以及时序控制单元；所述激光入射单元包括第一激光器、第二激光器、透反镜、第一孔阑、空间滤波器和凸透镜；所述干涉单元包括依次设置的分束镜和反射镜；所述相移单元包括依次设置的压电陶瓷和压电陶瓷控制箱；所述图像采集单元包括工业相机；所述时序控制单元包括数据采集控制箱。本发明能够实现对托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的在线、无损、高精度、高灵敏度、三维及定量监测。
Description
技术领域
本发明涉及核聚变与光学诊断技术领域，尤其涉及一种托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的测量装置。
背景技术
在磁约束核聚变实验研究中，碳材料因其良好的导热性能和低原子数而被广泛的应用于托卡马克第一壁材料。在托卡马克运行过程中，第一壁暴露在高热流和高粒子流下，同时化学侵蚀、物理溅射以及各种热效应的作用也会导致第一壁材料的侵蚀。被侵蚀的材料溅射出大量的杂质，影响托卡马克的运行安全。被侵蚀的碳材料与氢原子结合可以在第一壁上形成杂质沉积层，这就是再沉积。同时，氚滞留会大大缩短托卡马克的运行周期。因此，在托卡马克运行过程中，实现对侵蚀与再沉积的原位在线诊断，标定侵蚀与再沉积量的准确信息，对于延长托卡马克的运行周期，保证托卡马克的运行安全具有重要意义。
ITER(InternationalThermonuclearExperimentalReactor)项目位于法国Cadarache，由欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯、美国和中国共同资助，旨在研究可控核聚变装置，是目前国际上最大的多边合作项目，对侵蚀诊断的要求是：偏滤器靶板表面垂直方向侵蚀率的测量范围在1-10μm(±30％)，时间分辨率2s，沿表面方向的空间分辨率为10mm；第一壁严重侵蚀区，要求点侵蚀垂直方向测量范围为0-3mm，时间分辨率为一个放电脉冲，沿面方向的空间分辨率为10mm，精确度为12μm。然而，针对托卡马克壁形貌诊断的研究并不是很多，一些基于石英微天平和激光测距技术的测量方法已被用于侵蚀和再沉积的测量，然而，微天平不能进行实时监测，激光测距技术不能满足对空间分辨率的要求。并且现有技术托卡马克壁的侵蚀与再沉积不能实时测量、无法工作于震动环境。
发明内容
本发明主要解决现有技术空间分辨率不足、不能实时测量、无法工作于震动环境等技术问题，提出一种托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的测量装置，以实现对托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的在线、无损、高精度、高灵敏度、三维及定量监测。数字散斑干涉术在无损、全场测量方面已发展相对成熟，并具有广泛的应用实例，在此，本发明将数字散斑干涉术应用于托卡马克环境，以解决空间分辨率不足及不能实时测量的问题。
本发明提供了一种托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的测量装置，包括：激光入射单元、干涉单元、相移单元、图像采集单元以及时序控制单元；
所述激光入射单元包括第一激光器、第二激光器、透反镜、第一孔阑、空间滤波器和凸透镜；所述第一激光器的出射光路上依次设置所述透反镜、所述第一孔阑、所述空间滤波器和凸透镜；所述第二激光器设置在透反镜远离第一激光器的一侧；所述第一激光器和第二激光器出射光的夹角为90度；
所述干涉单元包括依次设置的分束镜和反射镜；所述分束镜设置在所述凸透镜远离空间滤波器的一侧；所述分束镜的一侧面与测试样品相对，且分束镜的延长线与测试样品在水平方向具有45度夹角；
所述相移单元包括依次设置的压电陶瓷和压电陶瓷控制箱，所述压电陶瓷和反射镜贴覆在一起，所述压电陶瓷和压电陶瓷控制箱电连接；
所述图像采集单元包括工业相机，所述工业相机设置在分束镜远离测试样品的一侧；
所述时序控制单元包括数据采集控制箱，所述数据采集控制箱分别与第一激光器、第二激光器、压电陶瓷控制箱和工业相机电连接。
进一步的，所述空间滤波器包括依次设置的显微物镜和针孔。
进一步的，所述透反镜和分束镜分别与水平方向具有45度夹角。
进一步的，所述凸透镜和所述分束镜之间设置第二孔阑。
进一步的，所述分束镜和所述工业相机之间设置第三孔阑。
进一步的，所述第一激光器和第二激光器分别为可调谐激光器。
进一步的，所述分束镜和所述反射镜之间设置衰减片。
进一步的，所述工业相机包括ICCD或CCD。
进一步的，所述数据采集控制箱包括：多通道信号发生单元、时间延迟控制单元、数据采集单元、激光器控制单元和压电陶瓷触发单元。
进一步的，所述数据采集控制箱与外部的控制计算机电连接。
本发明提供的一种托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的测量装置，包括激光入射单元、干涉单元、相移单元、图像采集单元以及时序控制单元，可以通过采集到的散斑干涉图处理重构得到侵蚀与再沉积的三维形貌，进而实现对托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的在线、无损、高精度、高灵敏度、三维及定量监测。本装置可以采用不同的波长组合从而实现对不同测量范围的测量。本发明的光路中利用显微物镜、针孔构造空间滤波器，提高入射光的空间相干性，并将入射光扩束成均匀圆斑。本发明通过控制激光器及ICCD的触发及采样时序，从而实现在振动环境下的测量，解决空间分辨率不足以及不能实时测量的问题。本装置结构简单，可数字化操作，被认为是监测托卡马克壁材料侵蚀与再沉积最具前景的手段。
附图说明
图1为托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的测量装置的结构示意图；
图2为空间滤波器的结构示意图。
图中附图标记指代的技术特征为：
1.第一激光器；2.第二激光器；3.透反镜；4.第一孔阑；5.空间滤波器；6.凸透镜；7.第二孔阑；8.分束镜；9.测试样品；10.衰减片；11.反射镜；12.压电陶瓷；13.压电陶瓷控制箱；14.第三孔阑；15.ICCD；16.数据采集控制箱；17.控制计算机；18.显微物镜；19.针孔。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
图1为托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的测量装置的结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供的托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的测量包括：激光入射单元、干涉单元、相移单元、图像采集单元以及时序控制单元。
所述激光入射单元包括第一激光器1、第二激光器2、透反镜3、第一孔阑4、空间滤波器5、凸透镜6和第二孔阑7；所述第一激光器1的出射光路上依次设置所述透反镜3、所述第一孔阑4、所述空间滤波器5、凸透镜6和第二孔阑7；所述第二激光器2设置在透反镜3远离第一激光器1的一侧；所述第一激光器1和第二激光器2出射光的夹角为90度。图2为空间滤波器的结构示意图。参照图2，所述空间滤波器5包括依次设置的显微物镜18和针孔19。所述第透反镜3和分束镜8分别与水平方向具有45度夹角。本实施例中所述激光器为可调谐激光器。所述激光入射单元可以用于完成入射激光的准直扩束。由显微物镜18和针孔19组成空间滤波器5，能够增强入射光的空间相干性。凸透镜6的作用是使扩束的入射光平行入射。
所述干涉单元包括依次设置的分束镜8、测试样品9、衰减片10和反射镜11；所述分束镜8设置在所述第二孔阑7远离空间滤波器5的一侧；所述分束镜8的一侧面与测试样品9相对，且分束镜8的延长线与测试样品9在水平方向具有45度夹角。所述干涉单元采用的是迈克尔逊干涉***，能够将入射光分为两束，一束为参考光，一束为物光，物光经测试样品9反射后，带有物体形变或位移的信息，与经反射镜11反射后的参考光在ICCD15上重合并发生干涉，产生散斑。
所述相移单元包括依次设置的压电陶瓷12和压电陶瓷控制箱13，所述压电陶瓷12和反射镜11贴覆在一起，所述压电陶瓷12和压电陶瓷控制箱13电连接。反射镜11为平面镜。所述相移单元用于在参考光束上引入特定步长的相移。
所述图像采集单元包括ICCD15，所述ICCD15设置在分束镜8远离测试样品9的一侧；所述分束镜8和所述ICCD15之间设置第三孔阑14。所述图像采集单元用于采集散斑干涉图，所述图像采集单元能够将采集到的散斑干涉图上传到外部的控制计算机，并通过控制计算机完成后期的图像处理工作。
所述时序控制单元包括数据采集控制箱16，所述数据采集控制箱16分别与第一激光器1、第二激光器2、压电陶瓷控制箱13和ICCD15电连接。所述数据采集控制箱16包括：多通道信号发生单元、时间延迟控制单元、数据采集单元、激光器控制单元和压电陶瓷触发单元。所述数据采集控制箱与外部的控制计算机电连接。所述时序控制单元用于控制激光器、ICCD、压电陶瓷的触发及时序。
本发明托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的测量装置主要采用双波长时域相变散斑干涉技术。数字散斑干涉(DigitalSpecklePatternInterferometry，DSPI)是一种对物体表面进行无损、全场、高精度的光学干涉测量技术。它集合了多项先进技术，如激光技术、电子技术、计算机技术、图像处理技术等，目前已被广泛的应用于航空航天、汽车、生物医学等诸多领域。其测量的原理是：光以波的形式入射到物体表面，光在表面的位置都对应一定的入射相位，当物体表面发生形变或位移时，所对应的入射相位也会发生变化，而相位变化与物体形变或位移具有确定的关系。散斑干涉测量就是通过相位的变化信息来确定物体的形变或位移信息。双波长时域相变散斑干涉是在数字散斑干涉术的基础上演化发展而来，加入双波长技术以扩展数字散斑干涉术的测量范围；添加时间相移技术，以获得精确的由物体表面形变或位移产生的相位变化值；本技术更可同过时序控制单元实现数字散斑干涉术在震动环境的应用。
本发明提供的双波长时域相变散斑干涉测量托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的装置，同时应用双波长技术、时间相移技术以及时序控制技术。单波长散斑干涉测量分辨率为λ/2(λ为激光波长)，当物体表面形变或位移大于λ/2时，相位发生跃变，相位包裹在[-π/2，π/2]区间内，要得到真实相位，需要做相位去包裹处理，而这个过程只有在空间取样非常好的情况下才可以实现。采用双波长技术，即采取两个不同的激光波长(λ1，λ2)分别取样，可以通过不同的波长组合得到不同的等效波长(Λ＝λ1λ2/|λ1-λ2|)，扩大测量范围(0.5μm-几千微米)，提供不同的测量精度(i＝Λ/2)，从而满足不同条件下的复杂测量要求。散斑干涉测量的核心是相位差(物体形变或位移前后引起的激光探测相位的变化)的提取，时间相移技术是一种可以精确提取相位的技术。它的思路是在光路中增加一个动态的相移器(压电陶瓷、光栅等)，对一路激光引入确定步长的相移，在物体的单一变形状态保持稳定的条件下，拍摄多幅不同相移值的干涉图，通过计算得到相位差。该技术操作简单、精度高，但如果用于动态测量和震动环境下，会存在干扰影响，从而导致测量误差，对于此问题，可以通过后期的图像处理及算法得以克服。托卡马克是微振动环境(频率＜150Hz，振幅0-1μm)，双波长测量是在不同时间分别采样，必然会受振动的影响而导致测量结果存在误差。针对这个问题，我们可以控制两个不同波长的激光的采样间隔使其足够小(小于1ms)，这样由振动引起的位移(纳米量级)与等效波长(微米量级)相比很小，这样可以尽可能减少误差对测量结果的影响，从而减小由于动态测量和微振动环境对实际测量的影响。
本发明中相移单元主要利用压电陶瓷12来引起参考光束光程的变化，压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料-压电效应,压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作，具有敏感的特性。本发明采用ICCD进行散斑干涉图片采集，ICCD(IntensifiedCharge-coupledDevice)即增强电荷耦合器件，是通过光纤与电子管式或微通道板式图像增强器相连的CCD摄像机，能够把光学影像转化为数字信号。
在本实施例中，激光由第一激光器1发出透过透反镜3或者由第二激光器2发出经透反镜3反射经第一孔阑4进入空间滤波器5，空间滤波器5由20倍的显微物镜18和直径为20μm的针孔19组成，调节显微物镜18和针孔19的位置，使入射光经显微物镜18聚焦后，焦点正好落在针孔19上，这样可以使入射光的空间相干性达到最优。激光在此处被扩束成逐渐放大的均匀圆斑，再经凸透镜6变为平行光束，凸透镜6的焦距为50cm，针孔19的位置处在凸透镜6的焦距上，入射光经凸透镜6后变为均匀圆形的平行光，光斑可达到的最大尺寸由显微物镜18的放大倍数、凸透镜6的尺寸及焦距共同决定，使用上述显微物镜18和凸透镜6得到的光斑的最大直径为2cm。空间滤波器5和凸透镜6为前端准值扩束***的主要构成部分，其工作原理如图2所示。平行光束经第二孔阑7入射到分束镜8，孔阑7可以控制入射光斑的大小，分束镜8将入射光分为相互垂直的两束，一束入射到待测样品9表面，称为探测光束，该光束经由9反射回分束镜8经孔阑14入射到ICCD15表面，另一束入射到平面镜11表面，称为参考光束，该光束经由11反射回分束镜8经孔阑14入射到ICCD15表面。在平面镜和分束镜中间设有衰减片10，通过衰减片控制参考光束的光强与探测光束的光强相同。孔阑14可以控制入射到ICCD15表面的光斑大小。分束镜8、测试样品9，平面镜11、衰减片10共同构成干涉单元，本干涉单元采用的是迈克尔逊干涉***，探测光束与参考光束光程相同。参考光束上平面镜11粘覆在压电陶瓷15上，压电陶瓷在不同电压作用下产生不同位移从而带动平面镜11在参考光束上引入不同的光程差，压电陶瓷控制箱13用来输入不同电压。压电陶瓷12和压电陶瓷控制箱13构成相移单元。ICCD15用于采集干涉图。数据采集箱16与计算机17用于采集数据和控制激光器、压电陶瓷、ICCD的触发及时序。
相移单元中压电陶瓷12及压电陶瓷控制箱13分别采用德国PI公司的S-303和E-625，分辨率小于0.1nm，移动范围0-2μm。由于压电陶瓷12和反射镜11贴覆在一起，所以通过压电陶瓷12使反射镜11产生位移，引起参考光束光程的变化，从而在干涉条纹中引入确定已知相移。图像采集单元中ICCD15采用ANDOR公司的NewiStarICCD。时序控制单元中数据采集控制箱16使用的是美国NI公司的NI-PXIe-1082机箱，数据采集卡NI-PXIe-6612、NI-PXIe-6341、NI-8234、NI-PXIe-PCIe8361分别用于连接可调谐激光器BNC-2121、压电陶瓷、ICCD和计算机，通过Labview控制激光器、压电陶瓷、ICCD的触发及时序。
以下通过实例对本实施例作进一步说明：
采用本实施例提供的托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的测量装置对Al、C样品进行测试，用激光烧蚀模拟托卡马克壁的侵蚀与再沉积。
实验室使用的激光器是两台可调谐染料激光器，采用的激光波长分别为λ1＝562nm,λ2＝562.8nm(等效波长Λ＝395μm)。相移的提取采用四步相移法，即使压电陶瓷12分四次在参考光路上引入相位变化，依次引入的相位变化分别为0,π/2,π,3π/2，步长为π/2。
具体操作流程为：首先，不引入相移，即压电陶瓷12不产生位移，控制第一激光器1和ICCD15同时触发采集散斑干涉图a1，ICCD15的曝光时间由入射光强及背景光强决定，1ms(或者<1ms)后同时触发第二激光器2和ICCD15采集图片b1；通过数据采集控制箱16和计算机17控制压电陶瓷控制箱13，压电陶瓷控制箱13改变电压，使压电陶瓷12产生位移，在参考光束上引入π/2的相位变化，然后同时触发第一激光器1和ICCD15采集图片a2，1ms(或者<1ms)后触发第二激光器2和ICCD15采集图片b2。同样，改变电压使压电陶瓷12在参考光束上引入π的相位变化，然后同时触发第一激光器1和ICCD15采集图片a3，1ms(或者<1ms)后触发第二激光器2和ICCD15采集图片b3。进一步，改变电压使压电陶瓷12在参考光束上引入3π/2的相位变化，然后同时触发第一激光器1和ICCD15采集图片a4，1ms(或者<1ms)后触发第二激光器2和ICCD15采集图片b4。
图片处理过程：对应波长λ1采集到的四幅散斑干涉图a1、a2、a3、a4，通过四步相移法(I1,I2,I3,I4分别对应a1、a2、a3、a4四幅散斑干涉图的光强变化)可计算出对应λ1的由激光烧蚀引起的相位变化(即相位差)的包裹值同样可计算出对应λ2的相位变化的包裹值 对应等效波长Λ的相位变化的包裹值。在用四步相移法解相位时做了反正切，导致所求的相位为包裹在[-π/2,π/2]区间内的主值而产生间断，需要在间断点位置加减π使相位值连续而得到真实相位，即相位解包裹。再通过位移或形变与相位变化的关系(Δz为物体在法线方向产生的位移量或形变量，为由于物体法线方向上的位移或形变引入的相位变化的真实值)，得到物体形变或位移的信息。托卡马克壁材料的侵蚀与再沉积可以看作壁材料上某一点在法线方向产生位移，从而可以使用同样的方法进行测量。
本实施例提供了一种托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的测量装置，包括激光入射单元、干涉单元、相移单元、图像采集单元以及时序控制单元，可以通过采集到的散斑干涉图处理重构得到侵蚀与再沉积的三维形貌，进而实现对托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的在线、无损、高精度、高灵敏度、三维及定量监测。本装置可以采用不同的波长组合从而实现对不同测量范围的测量。本发明的光路中利用显微物镜、针孔构造空间滤波器，提高入射光的空间相干性，并将入射光扩束成均匀圆斑。本装置通过控制激光器及ICCD的触发及采样时序，从而实现在振动环境下的测量，解决空间分辨率不足以及不能实时测量的问题。本装置结构简单，可数字化操作，被认为是监测托卡马克壁材料侵蚀与再沉积最具前景的手段。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的测量装置，其特征在于，包括：激光入射单元、干涉单元、相移单元、图像采集单元以及时序控制单元；
所述激光入射单元包括第一激光器、第二激光器、透反镜、第一孔阑、空间滤波器和凸透镜；所述第一激光器的出射光路上依次设置所述透反镜、所述第一孔阑、所述空间滤波器和凸透镜；所述第二激光器设置在透反镜远离第一激光器的一侧；所述第一激光器和第二激光器出射光的夹角为90度；
所述干涉单元包括依次设置的分束镜和反射镜；所述分束镜设置在所述凸透镜远离空间滤波器的一侧；所述分束镜的一侧面与测试样品相对，且分束镜的延长线与测试样品在水平方向具有45度夹角；
所述相移单元包括依次设置的压电陶瓷和压电陶瓷控制箱，所述压电陶瓷和反射镜贴覆在一起，所述压电陶瓷和压电陶瓷控制箱电连接；
所述图像采集单元包括工业相机，所述工业相机设置在分束镜远离测试样品的一侧；
所述时序控制单元包括数据采集控制箱，所述数据采集控制箱分别与第一激光器、第二激光器、压电陶瓷控制箱和工业相机电连接。
2.根据权利要求1所述的托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的测量装置，其特征在于，所述空间滤波器包括依次设置的显微物镜和针孔。
3.根据权利要求1所述的托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的测量装置，其特征在于，所述透反镜和分束镜分别与水平方向具有45度夹角。
4.根据权利要求1所述的托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的测量装置，其特征在于，所述凸透镜和所述分束镜之间设置第二孔阑。
5.根据权利要求1所述的托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的测量装置，其特征在于，所述分束镜和所述工业相机之间设置第三孔阑。
6.根据权利要求1所述的托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的测量装置，其特征在于，所述第一激光器和第二激光器分别为可调谐激光器。
7.根据权利要求1所述的托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的测量装置，其特征在于，所述分束镜和所述反射镜之间设置衰减片。
8.根据权利要求1所述的托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的测量装置，其特征在于，所述工业相机包括ICCD或CCD。
9.根据权利要求1所述的托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的测量装置，其特征在于，所述数据采集控制箱包括：多通道信号发生单元、时间延迟控制单元、数据采集单元、激光器控制单元和压电陶瓷触发单元。
10.根据权利要求1或9所述的托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的测量装置，其特征在于，所述数据采集控制箱与外部的控制计算机电连接。
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