CN213459076U - 一种装配在托卡马克上的立体成像*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种装配在托卡马克上的立体成像***，包括设置在托卡马克的器壁上且能够隔断其内外的观察窗，所述观察窗的中轴线穿过观测区域，所述观察窗上开设有两个孔，在同一所述观察窗上的两个孔内分别转动和/或滑动设置一组取像光路，所述取像光路连接有驱动其转动或滑动的驱动源，所述孔与光路之间密封，两组所述取像光路的末梢点相互偏离，且在观察窗内侧指向至少一部分重合的区域，所述取像光路位于观察窗外侧的端部设置有用于记录图像的相机，所述相机与取像光路的端部同步运动。本实用新型能够通过单一观察窗对托卡马克内部进行三维重构，重构效果好，降低了实验成本，且重构时稳定、高效、持续时间长。

Description

一种装配在托卡马克上的立体成像***

技术领域

本实用新型涉及受控核聚变技术领域，具体涉及一种装配在托卡马克上单一观察窗的聚变灰尘研究的立体成像***。

背景技术

托卡马克是利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器，它中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。工作时，托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的，这是目前科学界公认最有希望彻底解决人类能源危机的终极可行方案。磁约束可控核聚变发电项目“ITER”是人类有史以来最大规模的合作任务之一，由中、美、俄、欧盟、日、韩、印等多国投入巨大资源共同开发。我国设计建造了全超导托卡马克EAST，取得了1亿度芯部等离子体电子温度和超过400秒的长脉冲放电等一系列让世界瞩目的成果。此外还建设了先进的托卡马克HL-2A/M装置，在超声速加料及等离子体输运等物理机制研究领域，取得了一些在国际上有重要性影响的研究成果。在此基础上，我国正在设计建造大型聚变反应堆CFETR，将实现聚变能量增益Q超过10、输出功率超过1GW的宏伟目标。

现代大型托卡马克，等离子体芯部区域温度高达上亿度，其内部核聚变相关的物理机制非常复杂。为实验研究其物理机制，已发展出大量的实验诊断手段，可在托卡马克装置实时诊断其相关的物理参数。未来长期稳态运行的托卡马克，其芯部等离子体上亿度的高温带来的中子辐照、伽马射线等因素，必然给现有以电磁手段为主的等离子体实验诊断***的安全性带来巨大的挑战。但中子辐照、伽马射线这些因素对光学诊断的影响很小，光学诊断必然在未来托卡马克研究中发挥越来越重要的作用。从另一方面来说，现有高参数运行下的托卡马克实验中，灰尘的影响越来越大，如近期高参数运行的EAST托卡马克上，因为灰尘而导致的等离子体破裂占整个放电次数的两成以上，相关的聚变灰尘的物理机制研究亟待深入开展。

当前，为研究磁约束可控核聚变内部等离子体复杂的物理机制，大型托卡马克装置的观察窗里布满了几十种以上复杂繁琐的实验诊断及探测装置。托卡马克上可供使用的观察窗或法兰极度紧缺，一般一个实验周期内，每个观察窗都会有多种实验诊断方案需要安装，只能轮番安排实验，实验成本极高。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种装配在托卡马克上的立体成像***，其能够通过单一观察窗对托卡马克内部进行三维重构，重构效果好，降低了实验成本，且重构时稳定、高效、持续时间长。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种装配在托卡马克上的立体成像***，包括设置在托卡马克的器壁上且能够隔断其内外的观察窗，所述观察窗的中轴线穿过观测区域，所述观察窗上开设有两个孔，在同一所述观察窗上的两个孔内分别转动和/或滑动设置一组取像光路，所述取像光路连接有驱动其转动或滑动的驱动源，所述孔与光路之间密封，两组所述取像光路的末梢点相互偏离，且在观察窗内侧指向至少一部分重合的区域，所述取像光路位于观察窗外侧的端部设置有用于记录图像的相机，所述相机与取像光路的端部同步运动。

作为优选的，两组所述取像光路分别位于观察窗间距最长的两边缘处，所述取像光路呈弯折状，且弯折方向不同。

作为优选的，所述相机与取像光路的端部同步运动。

作为优选的，所述观察窗上设置有法兰，所述取像光路包括物镜、潜望部、成像光纤和中继镜，所述潜望部设置在法兰上，所述物镜和成像光纤分别耦合在潜望部的两端，且所述物镜位于法兰的内侧，所述成像光纤位于法兰的外侧，所述中继镜耦合在成像光纤上，所述相机耦合在成像光纤的端部。

作为优选的，所述潜望部包括第一潜望部、第二潜望部和第三潜望部，所述第三潜望部垂直设置在法兰上；所述第二潜望部设置在第三潜望部上，且所述第二潜望部的中轴线与第三潜望部的中轴线相交；所述第一潜望部设置在第二潜望部上，且所述第一潜望部的中轴线与第二潜望部相交、两个所述第一潜望部的中轴线远离观测区域的延长线不相交；所述物镜设置在第一潜望部的端部，所述成像光纤设置在第三潜望部的端部。

作为优选的，所述潜望部内设置有反射镜。

作为优选的，所述反射镜包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜设置在第一潜望部和第二潜望部的连接处，所述第二反射镜设置在第二潜望部和第三潜望部的连接处。

作为优选的，所述法兰紧邻托卡马克的内壁，所述物镜紧邻法兰。

作为优选的，所述第三潜望部、第二潜望部和第一潜望部依次垂直设置，所述第一反射镜和第二反射镜相对，且与第二潜望部均呈45°。

作为优选的，所述相机为高速相机，所述高速相机具有互相同步的两个，其分别位于一个中继镜的端部，所述成像光纤的像素不大于高速相机的像素本

实用新型的有益效果：

本实用新型通过优化的设计，能够在同一个观察窗上，从两个不同的位置，从不同的视角，对研究区域进行实时的观测记录，在两个视野重叠的区域内，任何物体的三维形状、运动轨迹等信息，均可以通过相机取得的图像进行重构，这对托卡马克的硬件需求低到最低，进而降低了成本，同时实现了稳定、持续、高效的观测聚变灰尘物理机制的目的，非常利于未来在托卡马克实验研究中的推广。

附图说明

图1为本实用新型一种装配在托卡马克上的立体成像***的结构示意图；

图2为本实用新型潜望部的内部光学反射镜组示意图。

图中标号说明：1、物镜，2、潜望部，20、第一潜望部，21、第一反射镜，22-第二潜望部，23-第三潜望部，24-第二反射镜，3、法兰，4、成像光纤，5、中继镜，6、高速相机，7、光线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

本实用新型的一种装配在托卡马克上的立体成像***的一实施例，包括穿置在同一观察窗上的两组取像光路。两组取像光路的末梢点相互偏离，且在观察窗内侧指向至少一部分重合的区域。取像光路位于观察窗外侧的端部设置有用于记录图像的相机。具体而言，观察窗设置在托卡马克的器壁上。观察窗的中轴线穿过观测区域。观察窗能够隔断托卡马克的内外。观察窗上开设有两个孔。两组取像光路分别设置在两个孔内。孔与取像光路之间密封。一种设置方式是，孔与取像光路完全固定，这种设置的方式能够获得极为稳定、清晰的图像，且***复杂度低；另外一种设置方式是，取像光路转动和/或滑动设置在孔内，且取像光路连接有驱动其转动或滑动的驱动源，这种设置的方式能够调整或动态调整观察点的位置和/或角度，以获得聚变灰尘更多的信息。在取像光路转动和/或滑动设置时，相机与取像光路的端部同步运动，以避免丢失信息。以上优化的设计，能够在同一个观察窗上，从两个不同的位置，从不同的视角，对研究区域进行实时的观测记录，在两个视野重叠的区域内，任何物体的三维形状、运动轨迹等信息，均可以通过相机取得的图像进行重构，这对托卡马克的硬件需求低到最低，进而降低了成本，同时实现了稳定、持续、高效的观测聚变灰尘物理机制的目的，非常利于未来在托卡马克实验研究中的推广。

上述取像光路的末梢点为取像光路获取图像时的观测点。为了提高立体成像***的三维重构精度，两末梢点的偏离程度应该尽可能的大，例如，两组取像光路分别位于观察窗间距最长的两边缘处。为了进一步提高偏离程度，取像光路可以设置成弯折状，且两组取像光路的弯折方向不同。

参照图1，其示出了实用新型的装配在托卡马克上的立体成像***的一个优选的实施例，上述观察窗上设置有法兰3。取像光路包括物镜1、潜望部2、成像光纤4和中继镜5。潜望部2设置在法兰3上。物镜1和成像光纤4分别耦合在潜望部2的两端，且物镜1位于法兰3的内侧，成像光纤4位于法兰3的外侧。中继镜5耦合在成像光纤4上。相机耦合在成像光纤4的端部。工作时，为获取观测区域清晰的图像，首先选用具有适配焦距和景深的物镜1，物镜1的取像镜即为末梢点；调节物镜使待观测区域的图像通过潜望部2在成像光纤4的截面上清晰聚焦；而后，图像经过光纤4传输到中继镜5处；相机则从中继镜5处获取图像。其结构简单，使用和维护方便，将磁场、中子辐照、伽马射线等对取像的影响降到了最低。

为了提高三维重构的精度，参照图2所示，上述潜望部2包括第一潜望部20、第二潜望部21和第三潜望部23。第三潜望部23垂直设置在法兰3上。第二潜望部21设置在第三潜望部23上，且第二潜望部21的中轴线与第三潜望部23的中轴线相交。第一潜望部20设置在第二潜望部21上，且第一潜望部20的中轴线与第二潜望部21相交、两个第一潜望部20的中轴线远离观测区域的延长线不相交。物镜1设置在第一潜望部20的端部。成像光纤4设置在第三潜望部23的端部。当两第二潜望部21朝向不同的方向时，能够扩大两物镜1之间的距离，进而使三维重构时更加精准。在物镜1超出法兰3范围时，可以从托卡马克内部进行装卸。

作为本实用新型的进一步改进，上述潜望部2内设置有反射镜。其不受托卡马克内部磁场、中子辐照、伽马射线等的影响。反射镜包括第一反射镜21和第二反射镜24。第一反射镜21设置在第一潜望部20和第二潜望部22的连接处。第二反射镜24设置在第二潜望部22和第三潜望部23的连接处。

上述法兰3紧邻托卡马克的内壁，物镜1紧邻法兰3。其远离了中心的实验区域，其避免了伸入托卡马克内的物镜1对实验造成影响，或自身损坏。

为使两个物镜1尽可能远离以及邻近法兰3，上述第三潜望部23、第二潜望部22和第一潜望部20依次垂直设置。第一反射镜21和第二反射镜24相对，且与第二潜望部22均呈45°。光线7由物镜1进入后，依次经第一反射镜21和第二反射镜24反射后，进入到成像光纤4中。

上述相机为高速相机6。高速相机6具有互相同步的两个，其分别位于一个中继镜5的端部。其在记录图像时，能够提高帧数和清晰度。成像光纤4的像素不大于高速相机6的像素，避免由于硬件***自身的缺陷而损失实验信息。

以上所述实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种装配在托卡马克上的立体成像***，其特征在于，包括设置在托卡马克的器壁上且能够隔断其内外的观察窗，所述观察窗的中轴线穿过观测区域，所述观察窗上开设有两个孔，在同一所述观察窗上的两个孔内分别转动和/或滑动设置一组取像光路，所述取像光路连接有驱动其转动或滑动的驱动源，所述孔与光路之间密封，两组所述取像光路的末梢点相互偏离，且在观察窗内侧指向至少一部分重合的区域，所述取像光路位于观察窗外侧的端部设置有用于记录图像的相机。

2.如权利要求1所述的装配在托卡马克上的立体成像***，其特征在于，两组所述取像光路分别位于观察窗间距最长的两边缘处，所述取像光路呈弯折状，且弯折方向不同。

3.如权利要求1所述的装配在托卡马克上的立体成像***，其特征在于，所述相机与取像光路的端部同步运动。

4.如权利要求1所述的装配在托卡马克上的立体成像***，其特征在于，所述观察窗上设置有法兰，所述取像光路包括物镜、潜望部、成像光纤和中继镜，所述潜望部设置在法兰上，所述物镜和成像光纤分别耦合在潜望部的两端，且所述物镜位于法兰的内侧，所述成像光纤位于法兰的外侧，所述中继镜耦合在成像光纤上，所述相机耦合在成像光纤的端部。

5.如权利要求4所述的装配在托卡马克上的立体成像***，其特征在于，所述潜望部包括第一潜望部、第二潜望部和第三潜望部，所述第三潜望部垂直设置在法兰上；所述第二潜望部设置在第三潜望部上，且所述第二潜望部的中轴线与第三潜望部的中轴线相交；所述第一潜望部设置在第二潜望部上，且所述第一潜望部的中轴线与第二潜望部相交、两个所述第一潜望部的中轴线远离观测区域的延长线不相交；所述物镜设置在第一潜望部的端部，所述成像光纤设置在第三潜望部的端部。

6.如权利要求5所述的装配在托卡马克上的立体成像***，其特征在于，所述潜望部内设置有反射镜。

7.如权利要求6所述的装配在托卡马克上的立体成像***，其特征在于，所述反射镜包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜设置在第一潜望部和第二潜望部的连接处，所述第二反射镜设置在第二潜望部和第三潜望部的连接处。

8.如权利要求7所述的装配在托卡马克上的立体成像***，其特征在于，所述法兰紧邻托卡马克的内壁，所述物镜紧邻法兰。

9.如权利要求7所述的装配在托卡马克上的立体成像***，其特征在于，所述第三潜望部、第二潜望部和第一潜望部依次垂直设置，所述第一反射镜和第二反射镜相对，且与第二潜望部均呈45°。

10.如权利要求4所述的装配在托卡马克上的立体成像***，其特征在于，所述相机为高速相机，所述高速相机具有互相同步的两个，其分别位于一个中继镜的端部，所述成像光纤的像素不大于高速相机的像素。

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