CN116068609B - 一种真空环境下弯晶谱仪空间位置标定方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及弯曲晶体谱仪技术领域，公开了一种真空环境下弯晶谱仪空间位置标定方法和装置，方法包括将真空腔室的真空度抽至10‑5 Pa量级；其中，探测器腔室中预先设有空间位置可调的至少五个氦氖激光管；获取至少五个所述氦氖激光管的初始三维坐标，并控制至少五个所述氦氖激光管开启，以使至少五个所述氦氖激光管的激光束经过球面弯曲晶体后成像；获取所述激光束的成像点三维坐标；根据一元线性回归分析得到关于所述初始三维坐标与所述成像点三维坐标的线性关系，以完成真空环境下弯晶谱仪的空间位置标定。本发明能够完成在真空环境下对弯晶谱仪进行精确的空间位置标定，能够解决原位空间位置标定的难题。

Description

一种真空环境下弯晶谱仪空间位置标定方法和装置
技术领域
本发明涉及弯曲晶体谱仪技术领域，尤其涉及一种真空环境下弯晶谱仪空间位置标定方法和装置。
背景技术
X射线球面弯曲晶体谱仪（弯晶谱仪）是托卡马克核聚变实验装置（EAST）上用于测量等离子体离子温度剖面和旋转速度剖面的主要诊断之一。其测量原理主要基于标识谱线的多普勒展宽及平移。对于离子温度和旋转速度的剖面测量而言，精确的空间位置标定是极为重要的。
目前，全世界范围内的弯晶谱仪的空间位置标定的方法主要是在大气环境下（1atm）进行的。其具体步骤为：在大气环境下，应用激光器将探测器上的空间位置同托卡马克内部的位置一一对应起来，获得探测器的位置同托卡马克内部位置的拟合关系，以此完成大气环境下的弯晶谱仪的空间位置标定。然后，假定大气环境下和真空环境下的空间位置标定关系是一样的，从而完成弯晶谱仪在真空环境下的空间位置标定。
但是，由于上述空间位置标定方法假定大气环境下和真空环境下的空间位置标定关系是一样的，而目前实验上无法确定大气环境下和真空环境下的空间位置标定关系是否是一样的，以及存在多大的差距，从而导致上述空间位置标定方法和结果存在误差。例如，在大气环境下做完空间位置标定之后，托卡马克装置和弯晶谱仪诊断便要抽真空至10-5Pa和10-3 Pa，在抽真空过程中，托卡马卡装置的外真空室的大半径会缩短1cm左右；同时弯晶谱仪诊断也会跟随者托卡马克装置移动，此时大气环境下和真空环境下的空间位置标定关系定会存在差距。
综上，现有的弯晶谱仪空间位置标定方法在大气环境下和真空环境下的空间位置标定关系存在误差，导致真空环境下弯晶谱仪空间位置标定的精确度不高。
发明内容
本发明提供了一种真空环境下弯晶谱仪空间位置标定方法和装置，以解决现有的弯晶谱仪空间位置标定方法在大气环境下和真空环境下的空间位置标定关系存在误差，导致真空环境下弯晶谱仪空间位置标定的精确度不高的技术问题。
第一方面，为了解决上述技术问题，本发明提供了一种真空环境下弯晶谱仪空间位置标定方法，包括：
将真空腔室的真空度抽至10-5Pa量级；其中，探测器腔室中预先设有空间位置可调的至少五个氦氖激光管；
获取至少五个所述氦氖激光管的初始三维坐标，并控制至少五个所述氦氖激光管开启，以使至少五个所述氦氖激光管的激光束经过球面弯曲晶体后成像；
获取所述激光束的成像点三维坐标；
根据一元线性回归分析得到关于所述初始三维坐标与所述成像点三维坐标的线性关系，以完成真空环境下弯晶谱仪的空间位置标定。
优选地，所述线性关系包括：
y’= -3.47y-0.14
其中，y’表示成像点三维坐标，y表示初始三维坐标。
优选地，至少五个氦氖激光管在所述真空腔室中以垂直探测器平面的方式竖直排列。
优选地，所述氦氖激光管设有五个，五个所述氦氖激光管的初始三维坐标分别为y1（0 mm, 0 mm, 60mm）、y2（0 mm, 0 mm, 30mm）、y3（0 mm, 0 mm, 0mm）、y4（0 mm, 0 mm,-30mm）、y5（0 mm, 0 mm, -60mm）。
优选地，五个所述激光束的成像点三维坐标中竖直方向坐标分别为-210mm、-102mm、0mm、+104mm、+207mm。
优选地，在根据一元线性回归分析得到关于所述初始三维坐标与所述成像点三维坐标的线性关系，以完成真空环境下弯晶谱仪的空间位置标定之后，所述方法还包括：
根据所述线性关系得到关于探测器位置与EAST真空室位置的线性拟合关系；
将所述线性拟合关系中的探测器位置坐标和探测器的像素值相对应，以进行实验。
第二方面，本发明提供了一种真空环境下弯晶谱仪空间位置标定装置，包括：
真空腔室，所述真空腔室连通有探测器腔室，所述真空腔室内设有球面弯曲晶体，所述探测器腔室内设有空间位置可调的至少五个氦氖激光管；
位置标定模块，包括激光追踪仪和线性回归分析模块；其中，所述激光追踪仪用于获取至少五个所述氦氖激光管的初始三维坐标以及所述激光束的成像点三维坐标；所述线性回归分析模块用于根据一元线性回归分析得到关于所述初始三维坐标与所述成像点三维坐标的线性关系，以完成真空环境下弯晶谱仪的空间位置标定。
优选地，至少五个氦氖激光管在所述真空腔室中以垂直探测器平面的方式竖直排列。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明一种真空环境下弯晶谱仪空间位置标定方法，包括：将真空腔室的真空度抽至10-5 Pa量级；其中，探测器腔室中预先设有空间位置可调的至少五个氦氖激光管；获取至少五个所述氦氖激光管的初始三维坐标，并控制至少五个所述氦氖激光管开启，以使至少五个所述氦氖激光管的激光束经过球面弯曲晶体后成像；获取所述激光束的成像点三维坐标；根据一元线性回归分析得到关于所述初始三维坐标与所述成像点三维坐标的线性关系，以完成真空环境下弯晶谱仪的空间位置标定。本发明能够完成在真空环境下对弯晶谱仪进行精确的空间位置标定，能够解决原位空间位置标定的难题；同时，离子温度和旋转速度剖面的测量更加精准。
附图说明
图1是本发明实施例提供的真空环境下弯晶谱仪空间位置标定装置结构示意图；
图2是本发明实施例提供的真空环境下弯晶谱仪空间位置标定装置的局部放大结构示意图；
图3是本发明实施例提供的真空环境下弯晶谱仪空间位置标定方法流程示意图；
其中，附图标记如下：1、真空腔室；2、探测器腔室；3、球面弯曲晶体；4、氦氖激光管。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
参照图1、图2，本发明实施例提供了一种真空环境下弯晶谱仪空间位置标定装置，包括：
真空腔室，所述真空腔室连通有探测器腔室，所述真空腔室内设有球面弯曲晶体，所述探测器腔室内设有空间位置可调的至少五个氦氖激光管；
位置标定模块，包括激光追踪仪和线性回归分析模块；其中，所述激光追踪仪用于获取至少五个所述氦氖激光管的初始三维坐标以及所述激光束的成像点三维坐标；所述线性回归分析模块用于根据一元线性回归分析得到关于所述初始三维坐标与所述成像点三维坐标的线性关系，以完成真空环境下弯晶谱仪的空间位置标定。
其中，氦氖激光管为真空适配的激光管，其位置已精确固定。示例性地，它们以垂直PILATUS900K探测器中平面的方式竖直排列，其坐标依次为y1（0mm,0mm, 60mm）、y2（0mm,0mm, 30mm）、y3（0mm,0mm, 0mm）、y4（0mm, 0mm,-30mm）、y5（0mm, 0mm, -60mm）；其中，y1、y2、y3、y4、y5的坐标通过真空适配的激光追踪仪来确定。
需要说明的是，图1为EAST内真空腔室的极向截面图，虚线AB为竖直方向的轴对称线。球面弯曲晶体为分光及聚焦元件，通常为Quartz(110) 、Quartz(102) 、Ge(113)等球面弯曲晶体。探测器腔室用于安装PILATUS900K探测器。
参照图3，本发明实施例提供了一种真空环境下弯晶谱仪空间位置标定方法，包括以下步骤：
S11，将真空腔室的真空度抽至10-5Pa量级；其中，探测器腔室中预先设有空间位置可调的至少五个氦氖激光管；
S12，获取至少五个所述氦氖激光管的初始三维坐标，并控制至少五个所述氦氖激光管开启，以使至少五个所述氦氖激光管的激光束经过球面弯曲晶体后成像；
S13，获取所述激光束的成像点三维坐标；
S14，根据一元线性回归分析得到关于所述初始三维坐标与所述成像点三维坐标的线性关系，以完成真空环境下弯晶谱仪的空间位置标定。
其中，至少五个氦氖激光管在所述真空腔室中以垂直探测器平面的方式竖直排列。
为了便于对本发明的理解，下面以五个氦氖激光管为例做更进一步的描述。
在本实施例中，所述氦氖激光管设有五个，五个所述氦氖激光管的初始三维坐标分别为y1（0 mm, 0 mm, 60mm）、y2（0 mm, 0 mm, 30mm）、y3（0 mm, 0 mm, 0mm）、y4（0 mm,0 mm,-30mm）、y5（0 mm, 0 mm, -60mm）。五个所述激光束的成像点三维坐标中竖直方向坐标分别为-210mm、-102mm、0mm、+104mm、+207mm。
进一步地，所述线性关系包括：
y’= -3.47y-0.14
其中，y’表示成像点三维坐标，y表示初始三维坐标。
优选地，在根据一元线性回归分析得到关于所述初始三维坐标与所述成像点三维坐标的线性关系，以完成真空环境下弯晶谱仪的空间位置标定之后，所述方法还包括：
根据所述线性关系得到关于探测器位置与EAST真空室位置的线性拟合关系；
将所述线性拟合关系中的探测器位置坐标和探测器的像素值相对应，以进行实验。
需要说明的是，本发明用于实现弯晶谱仪在真空环境下的精确空间位置标定。在真空环境下，应用激光器将探测器上的空间位置同托卡马克内部的位置一一对应起来，获得探测器的位置同托卡马克内部位置的拟合关系，以此完成大气环境下的弯晶谱仪的空间位置标定。其中，关于探测器位置与EAST真空室位置的线性拟合关系与关于所述初始三维坐标与所述成像点三维坐标的线性关系是相同的。在用氦氖激光管标定后，相当于完成了探测器位置y和EAST真空室位置y’的标定关系，即可用探测器进行实验。
在具体实施当中，弯晶谱仪在真空环境下的精确空间位置标定步骤如下：
第一步：将真空适配的、空间位置可调的氦氖激光管（1）、（2）、（3）、（4）、（5）精确装入真空腔室中，并以垂直PILATUS900K探测器中平面的方式竖直排列，其坐标依次为：y1（0mm, 0 mm, 60mm）、y2（0 mm, 0 mm, 30mm）、y3（0 mm, 0 mm, 0mm）、y4（0 mm, 0 mm,-30mm）、y5（0 mm, 0 mm, -60mm）；
第二步：将整套***抽真空至10-5Pa，整套***包括：弯晶谱仪诊断、5套氦氖激光管、球面弯曲晶体、EAST装置；
第三步：将真空适配的五套氦氖激光管开启，5条激光束经过球面弯曲晶体后，最终成像于y1’、y2’、y3’、y4’、y5’点，最后应用真空适配的激光追踪仪精确测出y1’、y2’、y3’、y4’、y5’这5个点的三维坐标，具体如下：y1’（-, -, -210mm）、y2’（-, -, -102mm）、y3’（-, -, 0mm）、y4’（-, -, +104mm）、y5’（-, -, +207mm）；
第四步：应用一元线性回归分析获得y1’、y2’、y3’、y4’、y5’同y1、y2、y3、y4、y5的线性关系，即完成真空环境下弯晶谱仪的空间位置标定。
需要说明的是，真空环境下的弯晶谱仪的空间位置标定只需要考虑z方向（竖直方向）的空间位置定标关系即可。此时获得如下真空条件下的位置数据：
Figure SMS_1
其中，根据上述的探测器位置y和EAST真空室位置y’，应用一元线性回归分析可以得到线性拟合关系y’= -3.47y-0.14，这样就完成了探测器位置y和EAST真空室位置y’的标定关系，即完成了真空环境下的弯晶谱仪的空间位置标定。
在完成真空环境下的弯晶谱仪空间位置标定后，将该线性关系中的探测器位置坐标y和PILATUS900K探测器的像素值（每个像素尺寸是0.172mm×0.172mm）对应起来，即可应用在实验中了。
与现有技术相比，本发明的优点是：（1）能够完成在真空环境下对弯晶谱仪进行精确的空间位置标定，能够解决原位空间位置标定的难题，将真空环境下弯晶谱仪空间位置标定的精确度提高至2mm以内；（2）离子温度和旋转速度剖面的测量更加精准。
需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，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)

1.一种真空环境下弯晶谱仪空间位置标定方法，其特征在于，包括：
将真空腔室的真空度抽至10-5 Pa量级；其中，探测器腔室中预先设有空间位置可调的至少五个氦氖激光管；
获取至少五个所述氦氖激光管的初始三维坐标，并控制至少五个所述氦氖激光管开启，以使至少五个所述氦氖激光管的激光束经过球面弯曲晶体后成像；
获取所述激光束的成像点三维坐标；
根据一元线性回归分析得到关于所述初始三维坐标与所述成像点三维坐标的线性关系，以完成真空环境下弯晶谱仪的空间位置标定。
2.根据权利要求1所述的真空环境下弯晶谱仪空间位置标定方法，其特征在于，所述线性关系包括：
y’= -3.47y-0.14
其中，y’表示成像点三维坐标，y表示初始三维坐标。
3.根据权利要求1所述的真空环境下弯晶谱仪空间位置标定方法，其特征在于，至少五个氦氖激光管在所述真空腔室中以垂直探测器平面的方式竖直排列。
4.根据权利要求2所述的真空环境下弯晶谱仪空间位置标定方法，其特征在于，所述氦氖激光管设有五个，五个所述氦氖激光管的初始三维坐标分别为y1（0 mm, 0 mm, 60mm）、y2（0 mm, 0 mm, 30mm）、y3（0 mm, 0 mm, 0mm）、y4（0 mm, 0 mm,-30mm）、y5（0 mm, 0 mm,-60mm）。
5.根据权利要求4所述的真空环境下弯晶谱仪空间位置标定方法，其特征在于，五个所述激光束的成像点三维坐标中竖直方向坐标分别为-210mm、-102mm、0mm、+104mm、+207mm。
6.根据权利要求1所述的真空环境下弯晶谱仪空间位置标定方法，其特征在于，在根据一元线性回归分析得到关于所述初始三维坐标与所述成像点三维坐标的线性关系，以完成真空环境下弯晶谱仪的空间位置标定之后，所述方法还包括：
根据所述线性关系得到关于探测器位置与EAST真空室位置的线性拟合关系；
将所述线性拟合关系中的探测器位置坐标和探测器的像素值相对应，以进行实验。
7.一种真空环境下弯晶谱仪空间位置标定装置，其特征在于，包括：
真空腔室，所述真空腔室连通有探测器腔室，所述真空腔室内设有球面弯曲晶体，所述探测器腔室内设有空间位置可调的至少五个氦氖激光管；
位置标定模块，包括激光追踪仪和线性回归分析模块；其中，所述激光追踪仪用于获取至少五个所述氦氖激光管的初始三维坐标以及激光束的成像点三维坐标；所述线性回归分析模块用于根据一元线性回归分析得到关于所述初始三维坐标与所述成像点三维坐标的线性关系，以完成真空环境下弯晶谱仪的空间位置标定。
8.根据权利要求7所述的真空环境下弯晶谱仪空间位置标定装置，其特征在于，至少五个氦氖激光管在所述真空腔室中以垂直探测器平面的方式竖直排列。
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