[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

说明书

本发明公开了一种基于单波滤光的托卡马克装置偏滤器靶板温度测量方法，涉及红外测温及磁约束核聚变技术领域，本发明先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，再拟合出在波长λ₀下偏滤器靶板温度和发射率的关系式，最后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；本发明使用了单波滤光片，减少了波长范围对测温精度的影响，同时也考虑到了滤光片的透光系数、辐射在特制光路中的衰减以及托卡马克装置的不同温度情况，使用非线性模型拟合温度与发射率之间的关系，拟合结果相比线性模型和常数模型更加精确。

技术领域：

本发明涉及红外测温及磁约束核聚变技术领域，具体涉及一种基于单波滤光的托卡马克装置偏滤器靶板温度测量方法。

背景技术：

能源问题是对各国经济社会发展的挑战，发展清洁能源、利用核聚变技术提高能源效率是当今社会的迫切要求。托卡马克装置包括一种利用磁约束来实现可控核聚变的环形容器以及低温、真空、水冷、电源及控制、数据采集和处理、波加热、波驱动电流、诊断等子系统。

近年来，利用非接触式测温对托卡马克装置第一壁的温度进行测量和诊断一直是一个很活跃的研究领域。托卡马克装置的主要设计目标之一就是使核聚变受控稳态运行。托卡马克装置放电过程中，少量高速运行的中心等离子体会脱离磁约束会打在托卡马克装置的第一壁上，尤其是分流器和限幅器区域，将承受较大的能量负荷。一些托卡马克装置采用偏滤器的特殊位形用于缓解打在第一壁上的热流，所以偏滤器靶板一般都采用耐热性能较好的材料。即使偏滤器靶板均选择耐热性较好的材料，温度过高也会导致偏滤器靶板材料的损坏，所以在放电时实时监测偏滤器靶板的温度十分必要。

早期托卡马克装置都采用热电偶来测量温度，如JET、DIII-D等。尽管热电偶测温精度较高，但在温度变化较快的托卡马克装置中无法满足实时测量的需求，所以在ToreSupra，JET，DIII-D，AUG，HT-7等托卡马克装置上都安装了红外测温系统来进行非接触式测温，这种方法的原理是通过测量目标表面向外辐射的红外能量来反演目标表面温度。

非接触式红外测温可以实时测量目标温度，但其测温精度受到很多方面的影响，如目标发射率、波长范围、环境温度以及辐射传播过程中的大气衰减。目标发射率是指某一温度下物体向外辐射的能量与同温度下黑体向外辐射的能量之比，同一材质在不同波长、温度或者粗糙度下的发射率都不同。红外辐射的波长在750～10⁶nm之间，其中近红外的波长为750～1100nm，短波红外的波长为1100～2500nm，中波红外的波长为3000～5000nm，长波红外的波长范围是7000～14000nm，一般情况下金属的发射率会随着波长的增加而减小。根据热辐射相关定律，红外辐射由分子振动产生，当温度较低时，分子热运动较慢，分子振动频率减少，释放的红外辐射也相对较小；当温度较高时，分子运动变剧烈，释放的红外辐射也变多。在相同的条件下，表面粗糙度越高的物体发射率也越高。

以往对托卡马克装置偏滤器靶板进行测温时，有的采用将靶板发射率视为常数，如下偏滤器靶板发射率设置为0.8，上偏滤器靶板设置为0.4，将发射率数值在红外热像仪中进行设置，认为测量过程中热像仪的读数就是偏滤器靶板的真实温度，这种方法没有考虑到波长、温度等条件对发射率的影响，同时也没有考虑到干扰辐射和辐射衰减的影响。公开号CN 108168709 A的专利公开了一种托卡马克偏滤器靶板温度精确测量方法，将偏滤器靶板发射率看作是随温度变化的量，但是该方法中没有考虑到波长对发射率的影响。

对托卡马克装置偏滤器靶板进行非接触式测温时，根据红外热像仪图像的灰度值计算出的温度并非目标的实际温度。热像仪测得的辐射能为偏滤器靶板发出的辐射和各项杂散辐射经过传播时的衰减之后剩余的辐射，热像仪本身发出的辐射也会对测温精度产生影响。现有的利用热电偶接触式测温无法快速响应目标的温度变化，非接触式红外测温中使用的目标发射率会受到很多方面的影响，以偏滤器靶板主要材料钨为例，目前尚无完全适用于托卡马克装置测温的发射率数值。

发明内容：