[发明专利]利用潘宁放电区分托卡马克残余气体中氦与氘的光学质谱计诊断技术

摘要

本发明公开了一种利用潘宁放电区分托卡马克残余气体中氦与氘的光学质谱计诊断技术，利用D2和He放电产生的低温等离子体发射光谱的特征光谱He‑I和D‑α波长迥异，将待测气体D2和He引入电离室，安装在电离室一侧的潘宁放电系统电离该待测气体产生低温等离子体，随后分析该等离子体产生的He‑I谱线和D‑α光谱，进而测量出两种气体（He和D2）的绝对含量，实现实时监测托卡马克中He和D2演化的诊断技术，从而解决了由于He和D2分子质量数接近（He4.003，D24.028）导致商业质谱计无法区分的难题，该诊断技术为ITER以及将来DEMO上可能的原位测量He/D2提供了直接的工程和物理经验积累。

主权项

一种利用潘宁放电区分托卡马克残余气体中氦与氘的光学质谱计诊断方法，其特征在于：利用氘气（D2）和氦气（He）放电产生的低温等离子体所发射光谱的特征光谱He‑I和D‑α波长迥异进行区分D2和He的诊断方法；将待测气体D2和He的混合气体引入电离室，安装在电离室一侧的潘宁放电系统电离该待测的中性气体产生低温等离子体，随后分析该等离子体产生的He‑I谱线和D‑α谱线，进而测量出He和D2两种气体的绝对含量，具体包括以下步骤：1)、EAST是偏滤器位型托卡马克装置，诊断系统的取样管道与EAST偏滤器连接并从EAST偏滤器区域取样待测气体输送到电离室；2)、安装在电离室一侧的潘宁放电系统电离该待测气体产生低温等离子体；3)、电离室对称的另一侧设置有玻璃窗口和与之相连的聚焦准直透镜组，低温等离子体发射光从玻璃窗口射出，被聚焦准直透镜组传输至光纤，经聚焦准直透镜组准直和高透过率光纤耦合得到足够强的光谱信号，该信号被传送到远离托卡马克装置的实验控制室；4)、在实验控制室内，利用半透半反膜将将该强的光谱信号进行50%‑50%分光，进而获得两路光强一致的光谱信号；两路光谱信号分别经过两组设置在不同光路上的准直透镜组、干涉滤光片、聚焦透镜组，得到两路特定波长的He‑I和D‑α光谱信号，He‑I和D‑α特定波长的光谱信号被光电倍增管PMT接收并转化为电信号传输给信号采集系统，得到反应光谱信号强度的光谱数据；5)、借助已知准确比例的He/D2混合气体和标定后精确的真空规管对该系统进行定标,具体步骤如下：①对一个内壁光洁的气体混合储气罐烘烤抽气，待真空优于1×10‑2Pa后再连续抽气烘烤10小时；②停止烘烤，开启气体混合储气罐上连接的对气体种类无选择性的电容真空规管；③气体混合储气罐的一侧分别通过减压阀连接高纯D2储气罐和高纯He储气罐，纯度为 99.9999%，另一侧通过微调阀连接电离室，当气体混合储气罐内温度降至室温时，利用减压阀向气体混合室先充入He到气体混合室气压为2×104Pa，随后充入D2到气体混合储气罐气压为1×105Pa，得到He：D2气压之比为1:4的混合气体；④将该混合气体通过微调阀送入电离室，结合经过详细标定修正的真空规管和抽气机组控制真空室气压为P并利用潘宁放电系统对其电离；⑤随后通过上述诊断方法测量出He‑I谱线和D‑α光谱强度，在此基础上结合已知总压P和He/D2的比例得出He和D2的分压；⑥重复5‑①～5‑⑤步骤，在5‑③中配置不同的He/D2比例；⑦通过上述得到数组He和D2分压以及对应的光谱信号强度数据，经过拟合后即可获得适用于该诊断系统的He和D2分压与对应的光谱强度之间关系的经验公式，托卡马克实验过程中通过光谱信号获得He、D2分压的诊断方法得以实现。