CN108387327B - 一种强电离辐射环境下的温度测量方法及*** - Google Patents

一种强电离辐射环境下的温度测量方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种强电离辐射环境下的温度测量方法及***。本方法为根据待测晶体的晶格长的变化计算得到该待测晶体的温度变化；具体而言，选取或制备一波长选择器，该波长选择器仅允许通过某一确定波长λ的光束，将一束光入射到该待测晶体表面，该波长选择器用于接收入射光束经该待测晶体表面产生的波长为λ的衍射光束，并记录衍射光束强度I；当I值发生变化时，改变该待测晶体与入射光束之间的入射角度，当接收的衍射光束强度为I时，记录角度变化量为Δθ；然后根据Δθ与该待测晶体的温度值变化关系得到温度变化。本发明既解决了强电离辐射环境下温度测量问题，同时也精确测得了强电离辐射环境下晶体表面的温度值。

Description

一种强电离辐射环境下的温度测量方法及***
技术领域
本发明涉及一种温度测量方法及***，尤其指在强电离辐射环境下晶体表面温度的测量方法及***。
技术背景
温度在宏观上是用来描述物体冷热程度的一种物理量，是微观原子/分子平均动能的体现，也是国际单位制中的7个基本物理量之一。自然界中，很多物质的物理属性和物理效应都与温度相关；在工程里，测量/控制物体温度也是一个重要的技术。因此，温度的精确测量无论是对物理、化学的科研还是对锅炉等的热工程都至关重要。同样，利用这些与温度相关的现象和规律，也可作为测量温度的手段。
按照是否与被测对象直接接触来分类，温度的测量可分为接触式和非接触式两类。接触式测温法通过测温元件直接与被测对象接触，在两者充分热交换后达到热平衡时，感温元件的某一物理参数的值就被认为是被测对象的温度值。由于需要完成充分热交换，因此该温度值为被测对象的体温度值。这种方法的优点是直观可靠，缺点是感温元件影响被测温度场的分布，接触不良等都会带来测量误差，受环境限制较大，温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命都会产生不利影响。其主要代表有电阻式温度计和热电式温度计等。非接触式测温法主要是通过测量被测对象的热辐射量，故可以避免接触式测温法的许多缺点，几乎没有测温上限。可以测量运动物体的温度和快速变化的温度。但由于受物体的发射率、被测对象到仪表之间的距离以及烟尘、水汽等其他的介质的影响，这种方法一般测温误差较大。主要代表有辐射温度计、比色温温度计等。
在强电离辐射环境下，接触式传感器受到强电离辐射的影响，会在其内部产生电流(压)，传感器的工作函数不仅变的相当复杂，且可能与电离辐射强度相关。因此，温度传感器将不能正常工作。而红外测温这类的非接触式测温方法，由于单晶硅晶体对这段波长来说是“透明”，或是有反射周边物体辐射的可能性，也不好作为强电离辐射环境下晶体表面的测温手段。
对同步辐射环境下单色器处温度的精准测量可以知道除热技术的效果，同时还可以通过对温度的调控，人为控制单色器晶体的变形。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种强电离辐射环境下的温度测量方法及***。
本发明的主要技术内容包括：
1.利用晶体晶格长的变化来反映被测物体或晶体自身的温度变化；
2.利用一体型双隧道切割晶体单色器(MDCM)锁定探测波长，实现测角与温度的对应。
本发明的技术方案为：
一种强电离辐射环境下的温度测量方法，其特征在于，根据待测晶体的晶格长d的变化Δd计算得到该待测晶体的温度变化Δt。
进一步的，将待测晶体的晶格长d的变化Δd的测量转换为待测晶体角度变化Δθ的测量，根据Δθ计算得到该待测晶体的温度变化Δt，其方法为：选取或制备一波长选择器(即MDCM)，然后初步调节待测晶体的角度，使入射光束经待测晶体衍射后出射光束的中心波长λ恰是MDCM仅允许通过的波长；然后将该波长选择器放置在匹配位置用于接收入射光束经该待测晶体表面产生的中心波长为λ的衍射光束，并记录此时接收的衍射光束强度I；当衍射光束强度I值发生变化时，改变该待测晶体与入射光束之间的入射角度，当接收的衍射光束强度为I时，记录角度变化量为Δθ；然后根据Δθ与该待测晶体的温度值变化关系得到温度变化Δt。
进一步的，根据公式计算温度变化Δt；其中，α为该待测晶体的热膨胀系数，2dsinθ＝λ。
进一步的，所述波长选择器为一体型双隧道切割晶体单色器。
进一步的，所述波长选择器包括两组反射面，第一组反射面为一个高指数(一般为5以上)的隧道切割晶体的两反射面；第二组反射面为一个与第一组反射面的衍射指数等效的隧道切割晶体的两反射面；第二组反射面与第一组反射面所能接受的布拉格角度相同；衍射光束依次经第一组反射面、第二组反射面输出。
一种强电离辐射环境下的温度测量***，其特征在于，包括光源、波长选择器、探测器和机械控制测量装置；其中，该波长选择器仅允许经待测晶体表面产生的中心波长为λ的衍射光束输出；
所述光源，用于产生入射到待测晶体表面的入射光束；
所述机械控制测量装置分别与该波长选择器、待测晶体连接，用于调整该波长选择器的位置，使其接收入射光束经该待测晶体表面产生的中心波长为λ的衍射光束；以及改变该待测晶体与入射光束之间的入射角度；
所述探测器，用于测量该波长选择器输入的光束强度。
进一步的，所述波长选择器为一体型双隧道切割晶体单色器。
进一步的，所述待测晶体为一单色器。
进一步的，所述光源为同步辐射光源。
本发明利用晶格的热膨胀现象，通过测量晶格长d的变化来反映温度的变化。
具体方法表现为利用布拉格公式2dsinθ＝λ，通过使用一个一体型双隧道切割晶体(图1)锁定波长λ，建立布拉格角度θ与晶格长d值的一一对应关系，进而实现布拉格角度θ与晶体上温度值的一一对应。
进一步的，由动力学衍射的效果所述的晶格长d为所测晶体表面晶向的晶面间距d值。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
1.本发明利用非接触式间接测温的方式改善了传统接触式温度探针在强电离辐射环境下不能正常工作的问题。
2.利用晶体的晶格长来反映温度值，可以精准的得到晶体表面的温度。解决了以往的温度探针不可能得到晶体表面的温度值这样的瓶颈问题。
总之，本发明既解决了强电离辐射环境下温度测量问题，同时也精确测得了强电离辐射环境下晶体表面的温度值。
附图说明
图1为MDCM结构示意图。
图2为测温实验配置图。
图3为实例实验配置图。
其中，1-光束线，2-晶面指数为(10 0 2)的隧道切割晶体表面，3-晶面指数为(102 0)的隧道切割晶体表面，4-白光，5-狭缝，6-待测温晶体，7-MDCM，8-探测器，9-机械控制/测量装置，10-同步辐射光，11-Si111单色器。
具体实施方式
下面结合具体实施步骤以及附图对本发明进行进一步详细描述。
MDCM是由一对高指数面的单晶硅隧道切割组成，例如衍射面指数为(10 0 2)和(10 2 0)、(9 1 1)和(9 1-1)、(7 7 5)和(7 5 7)等。高的衍射指数对提高单色器的分辨率有积极的效果。以附图1(10 0 2)和(10 2 0)的MDCM为例来说明，晶面2的指数为(10 0 2)，晶面3的指数为(10 2 0)。白光经过MDCM后的波长为带宽为7×10-6。这样就可以实现对波长的固定。MDCM的设计满足当MDCM水平放置时，可接受波长的光线恰好水平入射并水平出射。衍射指数面不同，锁定的波长值不同。
按照附图2实验配置图搭建实验***。首先通过机械控制测量装置调整待测温晶体和MDCM处在最匹配位置，即要使白光经过待测温晶体衍射后的中心波长恰是MDCM可以接受的波长。对于衍射指数面为(10 0 2)和(10 2 0)的MDCM来说，即要调整待测温晶体出射光的中心波长为在此情况下，探测器仅可接受到波长为/>的信号。
依据温度与晶格长变的化关系式Δd/d＝αΔt，α为热膨胀系数，可知，温度的测量可以转化为对晶格长变化的测量。当待测温晶体表面的温度发生改变时，其晶格长将发生变化，依据Bragg公式2dsinθ＝λ，在可探测波长一定的情况下，晶格长d发生变化意味着待测温晶体的角度必须改变才可继续接收到信号。因此，温度的测量即转化为对待测温晶体角度的测量。
由Bragg公式有Δd/d＝Δθ/tanθ，因此有
至此，本发明得到了一种新的温度测量方法，尤其在强电离辐射环境下晶体表面温度的测量方法。通过对角度的测量实现对温度的测量。进一步的，如果探测器为二维探测器，依据二维探测器上的强度分布，可以得到晶体表面的温度分布。
实施例1
利用上述方法来测量同步辐射环境下单色器处的温度。按图3所示实验配置图搭建实验***，保持MDCM处在水平位置，调整单色器使其处在与MDCM相匹配位置。记录此时探测器的强度。当温度改变时，保持MDCM不动，转动单色器以使MDCM后探测器的强度与先前一致，利用上述公式(1)，便可得出同步辐射环境下单色器处温度变化。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种强电离辐射环境下的温度测量方法，其特征在于，将待测晶体的晶格长d的变化△d的测量转换为待测晶体角度变化△θ的测量，根据公式计算温度变化△t，其方法为：选取或制备一波长选择器，然后初步调节待测晶体，使入射光束经待测晶体衍射后出射光束的中心波长λ恰是该波长选择器仅允许通过的波长；然后将一束光入射到该待测晶体表面，将该波长选择器放置在匹配位置用于接收入射光束经该待测晶体表面产生的中心波长为λ的衍射光束，并记录此时接收的衍射光束强度I；当衍射光束强度I值发生变化时，改变该待测晶体与入射光束之间的入射角度，当接收的衍射光束强度为I时，记录角度变化量为△θ；然后根据△θ与该待测晶体的温度值变化关系得到温度变化△t；其中，α为该待测晶体的热膨胀系数，根据公式2dsinθ＝λ计算得到θ。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述波长选择器为一体型双隧道切割晶体单色器。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述波长选择器包括两组反射面，第一组反射面为一个高指数的隧道切割晶体；第二组反射面为一个与第一组反射面的衍射指数等效的隧道切割晶体；第二组反射面与第一组反射面所能接受的布拉格角度相同；衍射光束依次经第一组反射面、第二组反射面输出。
4.一种强电离辐射环境下的温度测量***，其特征在于，包括光源、波长选择器、探测器和机械控制测量装置；其中，该波长选择器仅允许经待测晶体表面产生的中心波长为λ的衍射光束输出；
所述光源，用于产生入射到待测晶体表面的入射光束；
所述机械控制测量装置分别与该波长选择器、待测晶体连接，用于调整该波长选择器的位置，使其接收入射光束经该待测晶体表面产生的中心波长为λ的衍射光束；以及改变该待测晶体与入射光束之间的入射角度；
所述探测器，用于测量该波长选择器输入的光束强度；
所述温度测量***根据公式计算得到温度变化△t；得到温度变化△t的方法为：将一束光入射到该待测晶体表面，将该波长选择器放置在匹配位置用于接收入射光束经该待测晶体表面产生的中心波长为λ的衍射光束，并记录此时接收的衍射光束强度I；当衍射光束强度I值发生变化时，改变该待测晶体与入射光束之间的入射角度，当接收的衍射光束强度为I时，记录角度变化量为△θ；然后根据△θ与该待测晶体的温度值变化关系得到温度变化△t；α为该待测晶体的热膨胀系数，根据公式2dsinθ＝λ计算得到θ。
5.如权利要求4所述的温度测量***，其特征在于，所述波长选择器为一体型双隧道切割晶体单色器。
6.如权利要求4所述的温度测量***，其特征在于，所述待测晶体为一单色器。
7.如权利要求4所述的温度测量***，其特征在于，所述光源为同步辐射光源。
8.如权利要求4所述的温度测量***，其特征在于，所述波长选择器包括两组反射面，第一组反射面为一个高指数的隧道切割晶体的两反射面；第二组反射面为一个与第一组反射面的衍射指数等效的隧道切割晶体的两反射面；第二组反射面与第一组反射面所能接受的布拉格角度相同；衍射光束依次经第一组反射面、第二组反射面输出。
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