[发明专利]等离子体面壁部件原位诊断与缺陷修复系统及方法

说明书

本发明属于核聚变技术领域，具体涉及等离子体面壁部件原位诊断与缺陷修复系统及方法，包括激光模块、光谱采集模块、光路传输装置和壁形貌监控模块，经过一系列的激光传输和等离子体辐射光探测，利用光谱仪采集激光烧蚀等离子体的辐射光，进行分析得到等离子体面壁部件表面元素成分与含量，实现原位、在线、实时测量。经过激光干涉成像和增材修复，利用相机采集干涉图样，并根据干涉图样得到等离子体面壁部件的表面形貌结果，利用机械手臂待修复材料送达至待修复位置，不仅能够为聚变等离子体与壁相互作用的研究与控制提供数据，而且还可原位修复壁损伤，提高聚变装置使用寿命，维持稳态、长时间运行。

技术领域

本发明属于核聚变技术领域，具体涉及一种激光烧蚀等离子体发射光谱、激光增材制造、激光干涉表面形貌监测技术中的面壁部件原位诊断与缺陷修复系统及方法。

背景技术

利用受控热核聚变产生的能量被认为是解决人类能源问题的根本途径之一，托卡马克磁约束核聚变装置是当前公认最有希望实现受控热核聚变的装置，开展托卡马克聚变实验研究是探索和解决受控热核聚变堆工程及物理问题的最有效的手段。在磁约束托卡马克装置运行中，等离子体面壁部件(Plasma Facing Components，PFCs)会受到聚变等离子体、聚变α粒子、聚变中子、中性原子等的辐照，导致器壁侵蚀、器壁损伤、器壁缺陷、杂质沉积、燃料滞留等诸多问题，直接影响PFCs的寿命并可能引发聚变装置运行安全问题。一方面，聚变等离子体辐照、高热负荷以及聚变反应产生的α粒子、高能中子穿过PFCs不可避免地对其造成损伤，如产生微米-毫米级裂缝、晶格错位、材料腐蚀、熔化、碎裂等，严重改变PFCs性能并影响其使用寿命，导致聚变装置运行成本增加。另一方面，对于聚变装置关注的杂质沉积、燃料滞留诊断核心问题，当前最有希望的诊断手段为激光诱导击穿光谱，但是从其技术原理出发，该方法会在诊断过程中不可避免地对被诊断的区域造成烧蚀损伤，在一定程度上影响PFCs的使用寿命，给聚变装置运行造成不利影响。因此，需要及时对诊断造成的壁损伤进行修复。综上，发展原位、实时的聚变PFCs损伤及缺陷修复方法是维持聚变装置稳态、长时间运行的重要手段，同时也是节省聚变堆维护成本的重要技术手段。

激光烧蚀等离子体发射光谱是一束短脉冲(通常小于10纳秒)、高能量密度激光辐照到PFCs表面发生激光与物质相互作用时，当激光能量密度大于PFCs的烧蚀阈值时，相互作用区的第一壁被烧蚀。被烧蚀的粒子沿着PFCs样品表面法线方向喷射出来到聚变等离子体中。主等离子体与激光烧蚀的粒子发生相互作用，电离烧蚀离子并辐射出光，通过光谱仪收集并分析辐射光谱即可得到PFCs表面元素成分信息。激光干涉表面成像是一束激光分束形成两束相干激光后，一束照射到一个被镜面抛光的样品表面S1作为参考光，另外一束照射到被测PFCs样品表面S2作为测量光。然后结合光学元件，将S1与S2表面反射的参考光与测量光成像至相机，并在相机探测器上形成干涉图样，这一干涉图样中即包含有被测表面位移和形变信息。微移或调整S1的位置采集多幅干涉图样，然后分析干涉图样，就可反演得到被测样品的表面形貌信息。

毫秒脉冲激光由于其脉冲宽度长(通常大于1毫秒)，照射到样品表面会伴随有强烈的热效应以致被照射区域发生融化而不形成激光等离子体，被广泛的应用于激光焊接、激光切割等领域。同时也由于毫秒激光的强烈热效应，可在毫秒激光脉冲时间尺度内加热物质，与光学元件结合形成激光选区熔覆技术，近年来被大量应用于激光先进制造领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种聚等离子体面壁部件原位诊断与缺陷修复系统及方法，其能够针对等离子体面壁部件进行损伤诊断及缺陷修复。

本发明的技术方案如下：

一种等离子体面壁部件原位诊断与缺陷修复系统，包括如下几部分：

激光模块，包括脉冲激光模块和连续激光模块，负责提供不同脉宽的激光；

光谱采集模块，采集激光烧蚀等离子体发射光谱，用于分析PFCs表层元素成分；