[发明专利]基于单波滤光的托卡马克装置偏滤器靶板温度测量方法

权利要求书

1.基于单波滤光的托卡马克装置偏滤器靶板温度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用装有中心波长为λ₀的单波长滤光片的红外热像仪对不同温度的黑体炉进行测量，拟合出被测对象发出的辐射能与热像仪测得的辐射能在波长λ₀下的关系式；

(2)在托卡马克装置烘烤状态下使用单波热像仪对偏滤器靶板进行测量，拟合出在波长λ₀下偏滤器靶板温度和发射率的关系式；

(3)在托卡马克装置放电过程中利用热像仪测得图像的灰度值计算出此时偏滤器靶板的真实温度；

所述步骤(1)中包括以下步骤：

(a)热像仪前安装中心波长为λ₀的单波滤光片，来自托卡马克装置内部的辐射通过窗口进入特制光路，经单波滤光片滤光后波长为λ₀的辐射被热像仪测量到；将黑体炉放入托卡马克真空室内，装有单波滤光片的红外热像仪对某温度下的黑体炉进行测量时有如下方程：

S_bb(λ₀,T_bb)＝RW (1)

W＝k×L(λ₀,T_bb)×A_bb×h+S₀ (2)

其中，L(λ₀,T_bb)代表黑体炉在波长λ₀下，温度为T_bb时发出的辐射，可以根据普朗克定律定量描述为：

S_bb(λ₀,T_bb)表示热像仪探测到的辐射值；

R表示热像仪的仪器响应系数；

k表示滤光片的透光率；

A_bb表示红外热像仪测量得到的图像中单个像素点所对应的目标面积；

h表示红外辐射在特制光路中的衰减系数；

S₀是热像仪内部发出的辐射；

W表示热像仪探测到的辐射总量；

Δλ是单波滤光片的带宽；

(b)将黑体炉温度从低到高设定为6个不同温度值，即低温段T_bb1、T_bb2，中温段T_bb3、T_bb4，高温段T_bb5、T_bb6，通过记录黑体炉温度计算对应的黑体炉发出的辐射强度L_bb1、L_bb2、L_bb3、L_bb4、L_bb5、L_bb6，根据单波热像仪图片灰度值计算出单波热像仪接收到的辐射强度S_bb1、S_bb2、S_bb3、S_bb4、S_bb5、S_bb6，并有如下公式：

S_bb1＝RkA_bbh×L_bb1+RS₀ (4)

S_bb2＝RkA_bbh×L_bb2+RS₀ (5)

S_bb3＝RkA_bbh×L_bb3+RS₀ (6)

S_bb4＝RkA_bbh×L_bb4+RS₀ (7)

S_bb5＝RkA_bbh×L_bb5+RS₀ (8)

S_bb6＝RkA_bbh×L_bb6+RS₀ (9)

(c)在低温段用m₁和n₁表示RkA_bbh和RS₀，在中温段用m₂和n₂表示RkA_bbh和RS₀，在高温段用m₃和n₃表示RkA_bbh和RS₀，分别用式(10)～(15)计算：

(d)分别用m和n表示在低温、中温和高温段都适用的RkA_bbh和RS₀，m和n的计算方式如式(16)、(17)所示：

则式(1)可以写为：

S_bb(λ₀,T_bb)＝mL(λ₀,T_bb)+n (18)

式(18)就是单波热像仪测得的辐射与黑体炉发出的辐射之间的关系式；

所述步骤(2)中包括以下步骤：

(e)在托卡马克装置烘烤状态下测量靶板发射率，待测目标由黑体炉变为托卡马克偏滤器靶板，使用装有单波滤光片的红外热像仪对烘烤状态下的托卡马克装置偏滤器靶板进行测量时有：

S_s(λ₀,T_s)＝R[k×L×A_s×h+S₀] (19)

其中，S_s(λ₀,T_s)表示热像仪探测量到的辐射值；

T_s表示通过热电偶测得的托卡马克装置偏滤器靶板的真实温度；

L表示来自托卡马克装置内部通过窗口进入特制光路的辐射总量；

A_s表示烘烤过程中单波红外热像仪测量得到的图像中单个像素点所对应的目标面积；

(f)在单波热像仪测量到的图像中，其单个像素所对应的目标面积是固定值，即A_s＝A_bb，所以类似式(18)，将m＝RkA_bbh和n＝RS₀代入式(19)就可得到单波热像仪测得的辐射强度与托卡马克装置内部发出的辐射强度之间的关系式，即式(20)：

S_s(λ₀,T_s)＝mL+n (20)

即：

(g)式(21)中的L是待测靶板的辐射和干扰辐射的总和，具体包括以下三个部分：1)托卡马克偏滤器靶板发出且通过窗口的波长为λ₀的辐射；2)由托卡马克装置内壁发射，经过靶板反射后通过窗口的波长为λ₀的辐射；3)由靶板发出的，被内壁和靶板两次反射后通过窗口的波长为λ₀的辐射；

三种辐射的计算方式如下：

1)托卡马克偏滤器靶板发出且通过窗口的波长为λ₀的辐射：

εL_s(λ₀,T_s) (22)

其中，ε表示托卡马克装置偏滤器靶板在波长为λ₀，温度为T_s时的发射率；L_s(λ₀,T_s)表示黑体在波长为λ₀，温度为T_s时发出的辐射，通过普朗克定律可以得出：

2)由托卡马克装置内壁发射，经过靶板反射后通过窗口的波长为λ₀的辐射：

ε_surL_sur(λ₀,T_sur)(1-ε) (24)

其中ε_sur是托卡马克装置内壁的发射率，L_sur(λ₀,T_sur)表示黑体在波长为λ₀，温度为T_sur时发出的辐射，通过普朗克定律可以得出：

3)由靶板发出的，被内壁和靶板两次反射后通过窗口的波长为λ₀的辐射：

εL_s(λ₀,T_s)(1-ε_sur)(1-ε) (26)

(h)从托卡马克装置内部发出，通过窗口进入特质光路的辐射总量L就是上述三项之和：

L＝εL_s(λ₀,T_s)+ε_surL_sur(λ₀,T_sur)(1-ε)+εL_s(λ₀,T_s)(1-ε_sur)(1-ε) (27)

式(27)可以写为：

L＝εL_s(λ₀,T_s)+L_sur(λ₀,T_sur)(1-ε) (28)

其中将T_s和T_sur的值代入后，这两项的值均可以求出；

(i)通过式(21)和(28)即可得出托卡马克装置偏滤器靶板在波长λ₀、温度为T_s时的发射率，即：

(j)调节托卡马克装置的烘烤温度，依次设置为130℃、170℃、200℃、230℃、260℃、290℃，在每个烘烤温度点测量一次偏滤器靶板的发射率，整个过程一共在6个烘烤温度下测量托卡马克装置偏滤器靶板的发射率，测量完成后得到6组(T_s,ε)；

(k)测量并计算出6组T_s和对应的发射率ε后，使用如下的非线性模型来拟合波长为λ₀时托卡马克偏滤器靶板发射率ε和温度T的关系：

其中，a₀，a₁，a₂，a₃，a₄是待拟合的系数，将6组T_s和对应的发射率ε分别代入到式(30)的T和ε中进行非线性拟合，即可得到a₀，a₁，a₂，a₃，a₄的值，最终拟合的结果用式(31)来表示：

ε＝f(T) (31)；

所述步骤(3)中包括以下步骤：

(l)在托卡马克装置放电过程中测量偏滤器靶板温度时，通过单波热像仪可以测得辐射强度S_s(λ₀,T)，从托卡马克装置内部通过窗口进入光路的辐射总量为L，由式(20)可知单波热像仪测得的辐射强度S_s(λ₀,T)与托卡马克装置内部发出的辐射强度L之间的关系式如式(32)所示：

S_s(λ₀,T)＝mL+n (32)

(m)通过式(33)即可求出L：

(n)通过式(33)可以得出从托卡马克装置内部通过窗口进入光路的辐射L，此时式(28)中有偏滤器靶板温度和发射率两个未知量，联立式(31)即可得出此时托卡马克装置偏滤器靶板的温度。