[发明专利]基于光学相干层析技术实时检测聚变堆第一壁损伤的方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学相干层析（Optical Coherence Tomography，OCT）技术检测托卡马克聚变堆第一壁损伤领域，具体利用从第一壁背向散射光与参考光的干涉，通过图像处理与识别实现对第一壁损伤的实时检测。

背景技术

未来聚变堆第一壁材料问题是实现磁约束聚变的瓶颈问题之一。托卡马克聚变堆中，第一壁除受到高温等离子体发射的高能中子(14MeV)、氦原子(3.5MeV)、光子能量(均匀地沉积在第一壁上，约占全部表面热负荷的20～60%)的强辐照作用外，还会受到高能逃逸粒子流的撞击，特别是等离子体放电或等离子体破裂时，产生大量高能逃逸电子撞击第一壁表面材料，造成严重的局部损伤，从而使部件丧失功能而需要更换。例如ITER规模的实验堆，放电破裂、等离子体熄灭、VDE事件等，破裂时的能量损失包括热猝灭和电流猝灭两个阶段，热猝灭阶段(～1毫秒)，约95%的等离子体内能所产生的高热负荷作用到第一壁上。电流猝灭阶段(几十毫秒)，高达～70%的等离子体电流(～15MA)转化为逃逸电流，库仑碰撞雪崩效应将部分电子加速至相对论速度，形成能量高达～50MeV逃逸电子打在面向等离子体部件上，且偏滤器位形使逃逸电子能量沉积呈显著局域化，对第一壁造成严重的局部损伤。

此外，来自聚变堆芯部的稳态能流、粒子流造成中子辐照损伤，氢脆(D、T)，氦脆和气体肿胀。如第一壁钨材料，其表面会发生捕获聚集、长大起泡甚至形成表面纳米丝状结构，降低了表面热导率，增大熔化可能性。因此，聚变堆运行时需要具有在线检测第一壁表面状况的手段，这对聚变堆安全运行具有重要意义。

目前，对第一壁表面损伤进行检测的有效方法大多处在研发阶段，调研情况表明主要有以下几个方面：采用基于原位和高时间分辨率方法研究材料刻蚀、迁移、再沉积机制；采用散斑干涉仪检测材料表面刻蚀形貌；运用激光诱导击穿光谱对共沉积层化学成分变化和H滞留含量的原位监测；利用CdTe半导体探测器和BGO闪烁体诊断系统，探测逃逸电子对第一壁材料产生的硬X射线轫致辐射；利用红外测量与数字图像相关分析的光学应变分布测量方法；利用电磁超声无损检测界面缺陷与第一壁层厚变化；利用多光谱偏振光检测第一壁光学常数变化。

现有的光学相干层析技术主要运用于生物医学方面，关于光学相干层析技术应用于金属材料损伤检测的报道很少。OCT应用低相干干涉原理，通过将样品的背向散射光与已知光程的参考光进行比较，只有与参考光等光程位置处的背向散射光才能产生干涉信号，该信号的幅度反映了样品中该位置处的结构特征。现有的检测方法难以实现高能粒子对第一壁内部损伤的实时检测。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于光学相干层析技术实时检测聚变堆第一壁损伤的方法，基于OCT技术，通过对第一壁的三维成像，实时呈现托克马克反应堆第一壁内部结构及表面损伤的实时检测。

本发明采用的技术方案为：一种基于光学相干层析技术实时检测聚变堆第一壁损伤的方法，包括以下步骤：

S1:考虑纵向分辨率与脉宽成正比，与中心波长成反比，灵敏度与中心波长成正比，为了提高灵敏度与纵向分辨率，选择近红外波段宽带低相干光源；近红外波段的低相干光源作为入射光源，如840nm、1300nm超发光二极管（SLD）光源；

S2:设置光纤耦合器。选择与光源相匹配的光纤耦合器，如2×2单模光纤单窗宽带耦合器；

S3:光源发出的宽带低相干光经过光纤耦合器后分成两束，其中一束经过参考臂的扫描系统反射形成参考光，另一束经过物镜聚焦到托克马克第一壁内部，其背向散射光与参考光在光纤耦合器处重新汇合；

S4:在样品臂和参考臂的光纤出射端，采用自聚焦透镜作为准直器，产生平行光；

S5:参考臂主要用来产生光程差及差频信号，出射光经过准直后垂直射入平面镜后返回，参考臂步进电机的来回扫描产生的光程变换和匹配样品臂的光程，当参考臂和样品臂的光程差小于相干长度时，便会产生干涉信号；

S6:测量从第一壁（包括内部）反射回来的光延迟，纵向移动参考镜，使参考光与信号光产生干涉，记录参考镜的空间位置，便可得到第一壁及其内部相对应的空间位置信息；

S7:耦合器的输出是参考光与背向散射光的相干迭加，由光电探测器探测，将光信号转换成电信号，再经过前置放大、带通滤波等过程来增强信号，削弱噪声，然后由AD采样将模拟信号转换成数字信号存储在计算机中，最后由软件实现信号处理与图像显示；