CN107702816B - 原位在线实时无接触式测量面壁材料表面温度的方法 - Google Patents

原位在线实时无接触式测量面壁材料表面温度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种原位在线实时无接触式测量面壁材料表面温度的方法,利用激光模块烧蚀被测量区域并产生激光等离子体,被激发的激光等离子体在冷却过程中发射出光谱信号,通过一块具有双共轭焦点的非球面反射镜对等离子体发射光进行收集而后耦合到光纤,最后收集到的等离子体耦合到光谱仪中,光谱数据传输到计算机中进行分析:通过对收集到的等离子体发射光谱强度及特征与数据库中已有的标准光谱进行相关性分析,得出相关性系数,找到相关性系数最高或者高于0.95的标准光谱,在数据库中找到该标准光谱对应的基体温度并显示,从而达到测量温度的目的。该方法能够实现高空间(mm量级)及深度分辨、快速、无接触、主动式的面壁部件温度测量。

Description

原位在线实时无接触式测量面壁材料表面温度的方法
技术领域
本发明涉及温度测量技术领域,特别涉及一种原位在线实时无接触式测量面壁材料表面温度的方法。
背景技术
在聚变装置托卡马克运行过程中,由于磁场对粒子约束的不完全性,如中性粒子、顺着磁力线输运的带电粒子之间的电荷交换、等离子体破裂等会发生等离子体与器壁相互作用(Plasma-Wall-Interaction, PWI)。在PWI过程中,面壁部件不断的经受热等离子、聚变α粒子、14MeV的聚变种子、中性原子等的直接辐照,这导致面壁部件表面温度升高。尤其是对于高温全超导具有偏滤器位形的托卡马克装置,在其稳态,长脉冲运行过程中,长时间的等离子体与壁相互作用使第一壁材料表面温度急剧上升导致材料的腐蚀、融化及蒸发。第一壁材料温度剧变将严重影响材料的服役性能,缩短装置的运行寿命甚至危害装置的安全。因此,需要开发一种可以原位,在线,实时测量面壁材料表面温度的方法。
目前主要的用于测量样品表面温度的方法主要有红外测温方法,热电偶测温方法。其中,红外测温方法可以原位,在线,实时的测量面壁材料的表面温度,目前已经在中国的超导托卡马克EAST聚变装置中使用,但其造价非常高。热电偶测温方法,具有造价低廉,易于校准及使用等优点,但是由于该方法需要与被测样品表面接触,在实际应用中受到诸多的环境限制,且其容易损坏。
LIBS因其是一种纯光谱学方法,并可原位、在线、无接触式、主动式实时诊断等优点,已经被广泛用于多个领域。其工作原理为高强度脉冲激光束辐照到被测量样品表面,加热被分析区域一小块体积,在受辐照区域上方产生瞬态激光等离子体。用光谱仪分析瞬态激光等离子发射的光谱,即可对材料进行诊断分析。
实验结果表明, LIBS光谱发射强度及特征与被测样品表面温度具有强的相关性,因此通过对其适当的定标,可以使用LIBS技术对样品表面温度进行3D测量。常规的LIBS技术可通过平凸透镜控制烧蚀区域,一般烧蚀面积小于1mm2,烧蚀深度可控,因此该基于LIBS测量温度的技术,可以对样品进行高空间,高深度分辨的测量样品的温度。LIBS因其是一种纯光谱学技术,可以实现原位、在线、无接触式、主动式的诊断。此外,由于激光技术以及光谱仪技术的发展,其光谱发射与采集时间可以控制在秒量级。因此,还是一种可以实时的测量方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够实现高空间(mm量级)及深度分辨、快速、无接触、主动式的面壁部件温度测量方法。
本发明提出的一种原位在线实时无接触式测量面壁材料表面温度的方法,利用激光模块烧蚀被测量区域并产生激光等离子体,被激发的激光等离子体在冷却过程中发射出光谱信号,通过一块具有双共轭焦点的非球面反射镜对等离子体发射光进行收集而后耦合到光纤,最后收集到的等离子体耦合到光谱仪中,光谱数据传输到计算机中进行分析:通过对收集到的等离子体发射光谱强度及特征与数据库中已有的标准光谱进行相关性分析,得出相关性系数,找到相关性系数最高或者高于0.95的标准光谱,在数据库中找到该标准光谱对应的基体温度并显示,从而达到测量温度的目的。
优选的,所述激光模块为超短脉冲激光。
优选的,具体包括以下步骤:
步骤1:使用数据采集与分析计算机B1触发FPGA时序模块B2,同时设置光谱仪B17为外触发状态。
步骤2:数据采集与分析计算机B1触发FPGA时序模块B2,接到触发信号后,FPGA时序模块B2按照已经设置好的时序分别触发脉冲激光器B3发射激光、触发示波器B10开始采集数据、触发光谱仪B17采集瞬态激光等离子体发射光谱。
步骤3:被触发的脉冲激光器B3发射出的激光经过激光扩束仪B4对激光束扩束,并继续传播。
步骤4:被扩束的激光经由半波片B5与偏振立方体B6构成调节激光透射能量的***:通过旋转半波片B5的角度改变激光不同偏振态配比,对激光能量进行调控;透射部分用于产生测量温度必须的激光等离子体,反射部分进入残余激光吸收器B7。
步骤5:透射的激光光路中加入一片石英片B8把一小部分激光散射到光电二极管B9,石英片B8与激光的夹角,依据光电二极管B9的位置确定,保证被石英片B8发射的激光照射到光电二极管B9上;光电二极管B9与示波器B10相连,对脉冲激光能量进行实时监控,监控的数据用于后期数据处理,以避免由实验仪器引入的误差。
步骤6:透射激光继续向前传播,通过一块激光高反射镜B11反射烧蚀激光再经由抛物面激光聚焦反射镜B12对激光聚焦。
步骤7:聚焦的激光透过中心开孔非球面反射镜B13将激光照射到被测样品或面壁部件B14上。
步骤8:通过使用电机精确调控抛物面激光聚焦反射镜B12控制激光的聚焦度就可以实现实际要求空间分辨率。
步骤9:激光聚焦到被测样品或面壁部件B14上,形成瞬态激光等离子体B15。
步骤10:中心开孔非球面反射镜B13反射并收集瞬态激光等离子体B15的发射光到探测光纤B16中。
步骤11:探测光纤B16将收集到的发射光传输到光谱仪B17中。
步骤12:光谱仪B17把采集到的光谱信号传输给数据采集与分析计算机B1。
步骤13:数据采集与分析计算机B1分析计算采集到的光谱与标准光谱的相关性,找到相关性最高或相关性大于0.95的标准光谱;通过已标定的函数关系计算或者直接找到该标准光谱对应的基体温度,得到被测样品的温度。
优选的,进一步包括步骤14:如果需要对样品温度进行深度分布测量,则重复步骤1-步骤13步骤,得到不同样品不同深度的温度信息。
有益效果:本发明的方法能够实现高空间(mm量级)及深度分辨、快速、无接触、主动式的面壁部件温度测量。
附图说明
图1为本发明原位在线实时无接触式测量面壁材料表面温度的方法原理图。
图2为本发明原位在线实时无接触式测量面壁材料表面温度的方法专用装置图。
附图标示:A1为数据采集分析模块,其功能有(1)光谱数据采集;(2)分析光谱数据并得出样品温度。
A2时序控制模块,其功能有(1)控制激光器时序;(2)时序控制示波器数据采集;(3)时序调控光谱模块采集。
A3为激光,其功能为产生激光等离子体。
A4为烧蚀激光能量调控模块,其功能为在光斑能量空间分布保持不变的情况下调控烧蚀激光能量。
A5为被测样品或者面壁部件。
A6为激光等离子体光谱收集模块。
A7为门宽可调控的ICCD光谱仪。
B1、数据采集与分析计算机;B2、FPGA时序控制模块;B3、脉冲激光器、B4、激光扩束仪;B5、半波片;B6、偏振立方体;B7、残余激光吸收器;B8、石英片;B9、光电二极管;B10、示波器;B11、激光高反射镜;B12、抛物面激光聚焦反射镜;B13、中心开孔非球面反射镜;B14、被测样品或面壁部件;B15、瞬态激光等离子体;B16、探测光纤;B17、光谱仪。
实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1所示,本发明的方法主要包含有4个模块:①时序控制模块;②激光模块;③光谱收集模块;④数据采集与处理模块。该发明中烧蚀激发不做任何限定,用于烧蚀被测量区域并产生激光等离子体,但该发明中激光最好使用超短脉冲激光(如皮秒激光,飞秒激光)。这样一可以降低激光热影响区域(Heating Affect Zone,HAZ);二可以精确控制激光烧蚀深度,提高该技术的深度分辨能力的精准度。被激发的激光等离子体在冷却过程中发射出光谱信号,实验上通过一块具有双共轭焦点的非球面反射镜对等离子体发射光进行收集而后耦合到光纤,使用非球面反射镜的好处:一可以避免球面透镜带来的球差以及像差,二可以增加对等离子体的收集立体角。最后收集到的等离子体耦合到光谱仪中,光谱数据传输到计算机中进行分析。分析具体方法为通过对收集到的等离子体发射光谱强度及特征与数据库中已有的标准光谱进行相关性分析,得出相关性系数,找到相关性系数最高或者高于(0.95)的标准光谱,在数据库中找到该标准光谱对应的基体温度并显示,从而达到测量温度的目的。
如图2装置示意图详细介绍该方法的具体实施方案:
为进行精确对被测样品温度进行分析,必须建立不同温度下的各类基体样品的LIBS标准光谱,分析标准光谱的特征,并与基体温度建立一一对应或者函数关系。
步骤1:使用数据采集与分析计算机B1触发FPGA时序模块B2,同时设置光谱仪B17为外触发状态。
步骤2:数据采集与分析计算机B1触发FPGA时序模块B2,接到触发信号后,FPGA时序模块B2按照已经设置好的时序分别触发脉冲激光器B3发射激光、触发示波器B10开始采集数据、触发光谱仪B17采集瞬态激光等离子体发射光谱。
步骤3:被触发的脉冲激光器B3发射出的激光经过激光扩束仪B4对激光束扩束,并继续传播。
步骤4:被扩束的激光经由半波片B5与偏振立方体B6构成调节激光透射能量的***:通过旋转半波片B5的角度改变激光不同偏振态配比,对激光能量进行调控;透射部分用于产生测量温度必须的激光等离子体,反射部分进入残余激光吸收器B7。
步骤5:透射的激光光路中加入一片石英片B8把一小部分激光散射到光电二极管B9,石英片B8与激光的夹角,依据光电二极管B9的位置确定,保证被石英片B8发射的激光照射到光电二极管B9上;光电二极管B9与示波器B10相连,对脉冲激光能量进行实时监控,监控的数据用于后期数据处理,以避免由实验仪器引入的误差。
步骤6:透射激光继续向前传播,通过一块激光高反射镜B11反射烧蚀激光再经由抛物面激光聚焦反射镜B12对激光聚焦。
步骤7:聚焦的激光透过中心开孔非球面反射镜B13将激光照射到被测样品或面壁部件B14上。
步骤8:通过使用电机精确调控抛物面激光聚焦反射镜B12控制激光的聚焦度就可以实现实际要求空间分辨率。
步骤9:激光聚焦到被测样品或面壁部件B14上,形成瞬态激光等离子体B15。
步骤10:中心开孔非球面反射镜B13反射并收集瞬态激光等离子体B15的发射光到探测光纤B16中。
步骤11:探测光纤B16将收集到的发射光传输到光谱仪B17中。
步骤12:光谱仪B17把采集到的光谱信号传输给数据采集与分析计算机B1。
步骤13:数据采集与分析计算机B1分析计算采集到的光谱与标准光谱的相关性,找到相关性最高或相关性大于0.95的标准光谱;通过已标定的函数关系计算或者直接找到该标准光谱对应的基体温度,得到被测样品的温度。
优选的,进一步包括步骤14:如果需要对样品温度进行深度分布测量,则重复步骤1-步骤13步骤,得到不同样品不同深度的温度信息。
总结:本发明涉及温度测量技术领域,尤其涉及一种原位、在线、实时无接触式、主动式,可远程操控、3D测量面壁材料表面温度的方法。该方法基于激光诱导击穿光谱(LaserInduced Breakdown Spectroscopy, LIBS)技术3D测量面壁材料表面温度。该发明能够实现对样品mm量级空间,深度分辨的温度测量。尤其是该方法还是一种可以实时、原位、在线、无接触与主动式的测量方法,且工作于强磁场及辐射环境、易于操作、方便集成化与小型化。本发明主要用于聚变装置面壁部件温度等领域,不排除应用于其它的、具有相近技术特征的需要进行非接触温度测量的技术领域。
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:其依然可以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;而这些修改或者替换,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 (3)

1.一种原位在线实时无接触式测量面壁材料表面温度的方法,其特征在于,利用激光模块烧蚀被测量区域并产生激光等离子体,被激发的激光等离子体在冷却过程中发射出光谱信号,通过一块具有双共轭焦点的非球面反射镜对等离子体发射光进行收集而后耦合到光纤,最后收集到的等离子体耦合到光谱仪中,光谱数据传输到计算机中进行分析:通过对收集到的等离子体发射光谱强度及特征与数据库中已有的标准光谱进行相关性分析,得出相关性系数,找到相关性系数最高或者高于0.95的标准光谱,在数据库中找到该标准光谱对应的基体温度并显示,从而达到测量温度的目的;
具体包括以下步骤:
步骤1:使用数据采集与分析计算机(B1)触发FPGA时序模块(B2),同时设置光谱仪(B17)为外触发状态;
步骤2:数据采集与分析计算机(B1)触发FPGA时序模块(B2),接到触发信号后,FPGA时序模块(B2)按照已经设置好的时序分别触发脉冲激光器(B3)发射激光、触发示波器(B10)开始采集数据、触发光谱仪(B17)采集瞬态激光等离子体发射光谱;
步骤3:被触发的脉冲激光器(B3)发射出的激光经过激光扩束仪(B4)对激光束扩束,并继续传播;
步骤4:被扩束的激光经由半波片(B5)与偏振立方体(B6)构成调节激光透射能量的***:通过旋转半波片(B5)的角度改变激光不同偏振态配比,对激光能量进行调控;透射部分用于产生测量温度必须的激光等离子体,反射部分进入残余激光吸收器(B7);
步骤5:透射的激光光路中加入一片石英片(B8)把一小部分激光散射到光电二极管(B9),石英片(B8)与激光的夹角,依据光电二极管(B9)的位置确定,保证被石英片(B8)发射的激光照射到光电二极管(B9)上;光电二极管(B9)与示波器(B10)相连,对脉冲激光能量进行实时监控,监控的数据用于后期数据处理,以避免由实验仪器引入的误差;
步骤6:透射激光继续向前传播,通过一块激光高反射镜(B11)反射烧蚀激光再经由抛物面激光聚焦反射镜(B12)对激光聚焦;
步骤7:聚焦的激光透过中心开孔非球面反射镜(B13)将激光照射到被测样品或面壁部件(B14)上;
步骤8:通过使用电机精确调控抛物面激光聚焦反射镜(B12)控制激光的聚焦度就可以实现实际要求空间分辨率;
步骤9:激光聚焦到被测样品或面壁部件(B14)上,形成瞬态激光等离子体(B15);
步骤10:中心开孔非球面反射镜(B13)反射并收集瞬态激光等离子体(B15)的发射光到探测光纤(B16)中;
步骤11:探测光纤(B16)将收集到的发射光传输到光谱仪(B17)中;
步骤12:光谱仪(B17)把采集到的光谱信号传输给数据采集与分析计算机(B1);
步骤13:数据采集与分析计算机(B1)分析计算采集到的光谱与标准光谱的相关性,找到相关性最高或相关性大于0.95的标准光谱;通过已标定的函数关系计算或者直接找到该标准光谱对应的基体温度,得到被测样品的温度。
2.根据权利要求1所述的原位在线实时无接触式测量面壁材料表面温度的方法,其特征在于,所述激光模块为超短脉冲激光。
3.根据权利要求1所述的原位在线实时无接触式测量面壁材料表面温度的方法,其特征在于,进一步包括步骤14:如果需要对样品温度进行深度分布测量,则重复步骤1-步骤13步骤,得到不同样品不同深度的温度信息。
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