[发明专利]原位在线实时无接触式测量面壁材料表面温度的方法

说明书

本发明公开了一种原位在线实时无接触式测量面壁材料表面温度的方法，利用激光模块烧蚀被测量区域并产生激光等离子体，被激发的激光等离子体在冷却过程中发射出光谱信号，通过一块具有双共轭焦点的非球面反射镜对等离子体发射光进行收集而后耦合到光纤，最后收集到的等离子体耦合到光谱仪中，光谱数据传输到计算机中进行分析：通过对收集到的等离子体发射光谱强度及特征与数据库中已有的标准光谱进行相关性分析，得出相关性系数，找到相关性系数最高或者高于0.95的标准光谱，在数据库中找到该标准光谱对应的基体温度并显示，从而达到测量温度的目的。该方法能够实现高空间(mm量级)及深度分辨、快速、无接触、主动式的面壁部件温度测量。

技术领域

本发明涉及温度测量技术领域，特别涉及一种原位在线实时无接触式测量面壁材料表面温度的方法。

背景技术

在聚变装置托卡马克运行过程中，由于磁场对粒子约束的不完全性，如中性粒子、顺着磁力线输运的带电粒子之间的电荷交换、等离子体破裂等会发生等离子体与器壁相互作用（Plasma-Wall-Interaction, PWI）。在PWI过程中，面壁部件不断的经受热等离子、聚变α粒子、14MeV的聚变种子、中性原子等的直接辐照，这导致面壁部件表面温度升高。尤其是对于高温全超导具有偏滤器位形的托卡马克装置，在其稳态，长脉冲运行过程中，长时间的等离子体与壁相互作用使第一壁材料表面温度急剧上升导致材料的腐蚀、融化及蒸发。第一壁材料温度剧变将严重影响材料的服役性能，缩短装置的运行寿命甚至危害装置的安全。因此，需要开发一种可以原位，在线，实时测量面壁材料表面温度的方法。

目前主要的用于测量样品表面温度的方法主要有红外测温方法，热电偶测温方法。其中，红外测温方法可以原位，在线，实时的测量面壁材料的表面温度，目前已经在中国的超导托卡马克EAST聚变装置中使用，但其造价非常高。热电偶测温方法，具有造价低廉，易于校准及使用等优点，但是由于该方法需要与被测样品表面接触，在实际应用中受到诸多的环境限制，且其容易损坏。

LIBS因其是一种纯光谱学方法，并可原位、在线、无接触式、主动式实时诊断等优点，已经被广泛用于多个领域。其工作原理为高强度脉冲激光束辐照到被测量样品表面，加热被分析区域一小块体积，在受辐照区域上方产生瞬态激光等离子体。用光谱仪分析瞬态激光等离子发射的光谱，即可对材料进行诊断分析。

实验结果表明， LIBS光谱发射强度及特征与被测样品表面温度具有强的相关性，因此通过对其适当的定标，可以使用LIBS技术对样品表面温度进行3D测量。常规的LIBS技术可通过平凸透镜控制烧蚀区域，一般烧蚀面积小于1mm²，烧蚀深度可控，因此该基于LIBS测量温度的技术，可以对样品进行高空间，高深度分辨的测量样品的温度。LIBS因其是一种纯光谱学技术，可以实现原位、在线、无接触式、主动式的诊断。此外，由于激光技术以及光谱仪技术的发展，其光谱发射与采集时间可以控制在秒量级。因此，还是一种可以实时的测量方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够实现高空间（mm量级）及深度分辨、快速、无接触、主动式的面壁部件温度测量方法。

本发明提出的一种原位在线实时无接触式测量面壁材料表面温度的方法，利用激光模块烧蚀被测量区域并产生激光等离子体，被激发的激光等离子体在冷却过程中发射出光谱信号，通过一块具有双共轭焦点的非球面反射镜对等离子体发射光进行收集而后耦合到光纤，最后收集到的等离子体耦合到光谱仪中，光谱数据传输到计算机中进行分析：通过对收集到的等离子体发射光谱强度及特征与数据库中已有的标准光谱进行相关性分析，得出相关性系数，找到相关性系数最高或者高于0.95的标准光谱，在数据库中找到该标准光谱对应的基体温度并显示，从而达到测量温度的目的。

优选的，所述激光模块为超短脉冲激光。

优选的，具体包括以下步骤：

步骤1：使用数据采集与分析计算机B1触发FPGA时序模块B2，同时设置光谱仪B17为外触发状态。