阅读说明：本技术 一种聚变装置中对杂质注入量实时监测的方法 (Method for monitoring impurity injection amount in fusion device in real time ) 是由 钱玉忠 孙震 黄明 徐伟 孟献才 李成龙 韦俊 庄会东 左桂忠 胡建生 于 2019-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种聚变装置中对杂质注入量实时监测的方法,包括：在杂质注入管道两侧安装两个正对的玻璃观测窗,将激光发射器产生的激光传导至光纤,光纤另一端与装有凸透镜的金属管相连,激光穿过凸透镜后折射成一束平行光线,平行光线经平面反射镜反射后透射穿过两个玻璃观测窗,再由平面反射镜反射到另一个凸透镜上,平行光线经过凸透镜会聚后进入光纤,再由光纤引入到激光接收器,激光接收器将光信号转换为电信号,对电信号进行实时采集。在聚变装置中,将激光发射器及接收器按照上述结构加装在杂质注入路径两侧,在等离子体放电过程中,由于杂质在注入过程中会对激光形成遮挡,通过对遮挡后激光强度进行监测分析,便实现了对杂质注入量的实时监测。本发明光路简单,为聚变实验中杂质注入研究提供了可靠地数据支撑。(The invention discloses a method for monitoring impurity injection amount in a fusion device in real time, which comprises the following steps: two right glass observation windows are installed on two sides of an impurity injection pipeline, laser generated by a laser transmitter is conducted to an optical fiber, the other end of the optical fiber is connected with a metal pipe provided with a convex lens, the laser penetrates through the convex lens and is refracted into a beam of parallel light, the parallel light penetrates through the two glass observation windows after being reflected by a plane mirror and is reflected to the other convex lens by the plane mirror, the parallel light enters the optical fiber after being converged by the convex lens and is introduced into a laser receiver by the optical fiber, the laser receiver converts an optical signal into an electric signal, and the electric signal is collected in real time. In the fusion device, install laser emitter and receiver according to above-mentioned structure additional in impurity injection route both sides, at the plasma discharge in-process, because impurity can shelter from laser formation at the injection in-process, through monitoring analysis to sheltering from back laser intensity, just realized the real-time supervision to impurity injection volume. The invention has simple light path and provides reliable data support for impurity injection research in fusion experiments.)

一种聚变装置中对杂质注入量实时监测的方法

技术领域

本发明涉及聚变技术领域，尤其涉及一种聚变装置中对固体杂质粉末注入量实时监测的方法。

背景技术

近年来，利用低Z杂质注入控制等离子体偏滤器区域辐射、抑制边界局域模(ELMs)及改善等离子体边界再循环等取得了***的实验成果。在这些成果中均发现杂质注入量对等离子体诸多参数均有明显的影响，如边界等离子体储能、边界温度等。在此基础上精确定量研究杂质注入多少与等离子体参数之间的关系受到科研工作者越来越多的关注。因此，就需要在实际放电条件下对杂质注入量进行精确计量。然而传统上杂质的注入量均以台面实验标定数据为依据，对于等离子体放电环境下杂质注入量并不能够做到实时监测。在具体放电环境中，由于复杂的电磁环境及放电时注入系统本身的机械振动等，都会使得放电时杂质的真实注入量与台面标定值存在巨大的差异，这就会对后续的实验结果产生很大的影响。

发明内容

本发明目的是为了实时监测聚变实验中杂质注入量的多少，以满足实际聚变实验中对杂质注入量精确、实时计量的要求。为解决上述中的问题，本发明在杂质注入系统上设计了一套激光光路，光路与杂质注入方向垂直，在进行杂质注入时，杂质穿过激光光路对激光形成遮挡，导致光强变弱，经标定，激光信号变弱的百分比与杂质注入量之间的线性关系，因此便可以根据激光信号强度的变化推算出杂质注入的多少。在实际放电环境条件下，只需要将激光光路设置为待机状态，在进行杂质注入时便可以实现对杂质注入量的实时监测。在聚变装置中，将激光发射器及接收器按照上述激光光路结构加装在杂质注入路径两侧，在等离子体放电过程中，由于杂质在注入过程中会对激光形成遮挡，通过对遮挡后激光强度进行监测分析，以实现对杂质注入量的实时监测。

该方法不会对杂质注入过程产生任何干扰，操作简单、可靠，实现了在实际放电条件下对杂质注入量的实时监测，能为聚变中杂质注入研究提供可靠的数据支撑。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种聚变装置中对杂质注入量实时监测的方法，在杂质注入管道两侧安装两个正对的玻璃观测窗，即第一玻璃观测窗和第二玻璃观测窗；

将激光发射器产生的激光传导至第一光纤，第一光纤另一端与装有第一凸透镜的第一金属管相连，激光穿过第一凸透镜后折射成一束平行光线，平行光线经第一平面反射镜反射后透射穿过所述两个正对的玻璃观测窗，再由第二平面反射镜反射到第二凸透镜上，平行光线经过第二凸透镜会聚后进入第二光纤，再由第二光纤引入到激光接收器，激光接收器将光信号转换为电信号，对电信号进行采集，利用采集的电信号计算杂质量。

所述的两个玻璃观测窗为圆形刀口密封，直径为φ35mm。

所述的激光发生器为THORLABS公司的光线耦合LED，型号为M530F2，波长为530nm。

所述的第一光纤直径为φ600μm,0.50NA,Low OH,SMA to SMA Fiber PatchCables。

所述的第二光纤直径为φ200μm,0.22NA,Low OH,SMA to SMA Fiber PatchCables。

所述的激光接收器为THORLABS公司的硅基光电探测器，型号为PDA36A，可调节增益。

所述的两个凸透镜为焦距为50mm，直径为25mm。

所述的两个平面反射镜为THORLABS公司BB3-E02φ3，宽带膜为400-750nm。

本发明的优点是：

提供了一种聚变装置中对杂质注入量实时监测的方法，该方法将利用杂质对激光的遮挡，由此产生激光光强的变化，从而反推出杂质注入量，最终实现对对杂质注入量的实时监测。同时该方法不会对杂质注入产生任何附加干扰、实现简单、操作步骤少，能够满足聚变装置对杂质注入量进行精确计量的要求，为未来聚变堆中杂质注入提供可靠的数据支撑。

附图说明

图1是激光光路示意图；

图2是杂质注入时激光电信号变化图；

图3是对硼粉(-100目)杂质流量与激光电信号变化相对值的标定。

其中附图标记如下所示：1-杂质导管；2-第一玻璃观测窗；3-第二玻璃观察窗；4-第一平面反射镜；5-第二平面反射镜；6-第一凸透镜；7-第二凸透镜；8-第一金属圆筒；9-第二金属圆筒；10-第一光纤；11-第二光纤；12-激光发射器；13-激光接收器；14-示波器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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所示是一种聚变装置中对杂质注入量实时监测的方法，包括如下步骤：

1)将玻璃第一玻璃观测窗2、第二玻璃观察3安装在杂质导管1的两侧，两窗口高度相同，且直径均为φ35mm。

2)将第一平面反射镜4、第二平面反射镜5分别装于第一玻璃观测窗2、第二玻璃观察窗，第一平面反射镜与第一玻璃观察窗成45度角、第二平面反射镜与第二玻璃观察窗也成45度角。

3)将可调节长度的内含凸透镜的第一金属圆筒8、第二金属圆筒9分别固定在第一平面反射镜4、第二平面反射镜5的正下方，所述第一、第二金属圆筒与第一、第二平面反射镜底座分别保持垂直，通过金属圆筒调节长度，起到调节物距的作用。

4)用直径为φ0.6mm的第一光纤10将第一金属圆筒下方与激光发射器12相连，用直径为φ0.2mm的第二光纤11将第一金属圆筒8的下方与激光接收器13相连。

5)用BNC跳线将激光接收器13电信号输出端与示波器14相连。

6)打开激光发射器12，调节第一金属圆筒8长度，使得第一光纤10的出光端在第一凸透镜6焦点位置，确认经过第一凸透镜6的光束为近似平行光。

7)调节第一平面反射镜4，使被第一平面反射镜4反射后的平行光束进接收端的第二平面反射镜5反射后进入第二金属圆筒9，再调节第二金属圆筒9，使得接收第二光纤11入光端在第二凸透镜7的焦距位置，再将第二光纤11的出射端与激光接收器13相连，激光接受器13将接受到的激光转化为激光电信号λ。

8)启动杂质注入系统，用示波器14捕捉杂质注入时的激光电信号λ，如图2所示，从图中可以看出，由于杂质粉末对激光的遮挡，使得接受到的激光电信号与无杂质注入时存在一个差值Δλ，利用该差值便可以建立杂质注入流量Γ与激光电信号的降低的相对值η(其中η＝Δλ/λ×100％)之间的对应关系。

9)对激光电信号下降的相对值与杂质(如硼-100目颗粒粉末)注入流量Γ进行标定，利用标定值及在具体实验中实时读出的激光下降的相对值，便可以实时得出聚变装置粉末的注入量，如图3所示，从图中可以看出杂质注入流量Γ与η成很好的线性关系，便于实时读出杂质注入流量，且具有很高的精度。

可选的，所述的两个玻璃观测窗为圆形刀口密封，直径为φ35mm。

可选的，所述的激光发射器12为THORLABS公司的光线耦合LED，型号为M530F2，波长为530nm。

可选的，所述的第一光纤10直径为φ600μm,0.50NA,Low OH,SMA to SMA FiberPatch Cables。

可选的，所述的第二光纤11直径为φ200μm,0.22NA,Low OH,SMA to SMA FiberPatch Cables。

可选的，所述的激光接收器13为THORLABS公司的硅基光电探测器，型号为PDA36A，可调节增益。

可选的，所述的两个凸透镜为焦距为50mm，直径为25mm。

所述的两个平面反射镜为THORLABS公司BB3-E02φ3，宽带膜为400-750nm。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。