一种EAST托卡马克装置偏滤器表面杂质元素的分析系统及分析方法，激光光谱分析技术领域。该分析系统及分析通过激光器发射合适能量的激光脉冲，经聚焦后对偏滤器表面杂质沉积进行蒸发、电离、形成激光诱导等离子体，通过中阶梯光谱仪记录杂质层激光诱导等离子体发射光谱信号，并通过物理模型分析出杂质层中各元素含量；同时，激光诱导击穿光谱分析过程中，联合激光诱导荧光光谱技术对等离子体中痕量钨杂质进行荧光光谱分析，实现对痕量钨杂质的高灵敏度定量化分析。本发明专利技术能够在EAST托卡马克装置运行中实现原位、在线、远程遥控条件下的偏滤器表面元素快速的精确分析，并且可以对感兴趣的各种元素进行三维分析成像。趣的各种元素进行三维分析成像。趣的各种元素进行三维分析成像。
【技术实现步骤摘要】
一种EAST托卡马克装置偏滤器表面杂质元素的分析系统及分析方法
[0001]本专利技术涉及激光光谱分析
，特别涉及一种基于激光诱导击穿光谱联合激光诱导荧光光谱的磁约束聚变装置运行过程中偏滤器表面杂质沉积、燃料滞留的高灵敏度原位、在线分析装置及方法。
技术介绍
[0002]磁约束可控热核聚变装置是通过强磁场来约束带电粒子实现可控热核聚变反应的装置。聚变能源具有燃料丰富、安全、清洁等特点，是一种理想的未来能源。可控热核聚变装置运行过程中，来自芯部等离子体的热流和粒子流会与器壁材料发生相互作用，造成器壁材料的损伤，影响使用寿命。同时，等离子体与器壁相互作用产生的杂质会污染聚变等离子体，引发等离子体能量的辐射损失，降低等离子体的约束性能。钨、钼等高Z杂质进入到芯部等离子体区域并不能被完全离化，其电离辐射非常强，直接影响聚变等离子体参数的空间分布，稀释芯部等离子体，降低聚变反应功率密度，当聚变装置芯部等离子体中钨含量超过10
‑5就会直接导致等离子体的熄灭。虽然可通过先进的壁处理方法（物理气相沉积、化学气相沉积、弹丸注入及低参数等离子辅助沉积等方式）在装置的真空腔室内部第一壁、偏滤器靶板表面覆盖一层薄的硼、锂、硅或碳的薄膜，不同程度地阻止高Z金属的溅射，改善粒子再循环，控制杂质产生来不断提高对高参数等离子体的约束性能，但是缺少有效的监测方法。目前急需快速、有效的壁表面杂质含量监测方法，指导壁处理过程、辅助托卡马克聚变等离子体稳态运行。
[0003]目前，国际上关于装置内部壁材料表面成分诊断的工作主要依靠离线的表征方法，即整磁约束聚变装置长时间运行后，在维护期间取下受辐照的壁材料样品通过离线诊断设备对比研究聚变等离子体辐照前后壁材料变化情况。沉积杂质表征主要通过X射线光电子能谱、X射线能谱、核反应分析、二次离子质谱等方法，其缺点在于离线分析无法还原出不同参数放电环境下壁材料的变化细节；离线分析过程中的样品的保存、切割、制样过程会造成二次污染，影响表征结果，无法满足磁约束聚变研究中等离子体与壁材料相互作用壁表面成分变化细节。近年来，激光诱导击穿光谱技术做为一种原位在线壁分析方法，具备一定的快速实时、原位在线、全元素定量化分析的能力，但是真空、远距离的应用场景下，激光诱导击穿光谱技术的探测灵敏度较低，不利于沉积杂质层中痕量杂质元素的有效探测。因此，急需一种可以原位在线、定量化分析沉积层中痕量杂质元素的方法。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的是为了解决传统的激光诱导击穿光谱技术在高真空环境下偏滤器表面杂质层中微量钨杂质元素探测灵敏度低的缺点，提供一种激光诱导击穿光谱
‑
激光诱导荧光光谱联合分析的方法，可以在EAST托卡马克装置运行高真空环境下较好的完成偏滤器表面杂质沉积层中大动态范围全元素的远程、原位、实时分析的测量任务，解决对痕量钨
元素测量精度不高的问题。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种激光诱导击穿光谱和激光诱导荧光光谱联合的分析系统包括控制系统、用于拍摄待测样品表面图像的监测装置和光谱分析系统，其特征在于，所述光谱分析系统包含光谱分析模块、光路传输模块和信号接收模块；光路传输模块包含多个光学元件，用于聚焦入射光至待测样本和/或导引待测样本表面产生的等离子体信号；所述光谱分析模块包含导引激光器、第一激光器、第二激光器和激光合束器；导引激光器的发射光、第一激光器的发射光通过第一扩束整形模块、第二激光器的发射光通过第二扩束整形模块分别入射至激光合束器，激光合束器的发射光经光路传输模块入射至待测样本表面；所述信号接收模块包含中阶梯光谱仪、ICCD光谱仪和ICCD相机，待测样本表面产生的等离子体信号通过光路传输模块分别入射至阶梯光谱仪、ICCD光谱仪和ICCD相机；控制系统分别通信连接监测装置、光路扫描装置、导引激光器、第一激光器、激光合束器、第二激光器、中阶梯光谱仪、ICCD相机和ICCD光谱仪。
[0006]在一些具体实施方案中，所述光路传输模块包含从右至左依次设置的真空窗口、光路扫描装置、第一聚焦透镜、棱镜、第二聚焦透镜、二向色镜和光纤合束器；光路扫描装置包含反射镜或反射镜组，反射镜或反射镜组的角度、位置根据控制系统1的命令通过电动位移台控制，实现同轴入射激光束和收集光路的扫描。
[0007]监测装置2包含摄像头模块、LED照明模块、光学反射镜或者光学反射镜组。光学反射镜或者光学反射镜组设在第一聚焦透镜和光路扫描装置之间，控制系统通过电动位移台控制光学反射镜位置和角度，通过多种耦合方式，在不影响入射激光和光谱采集光路条件下对偏滤器表面图像进行测量。
[0008]控制系统1通过电动位移台控制监测装置2、光路扫描装置3、激光合束器6、光路传输模块中各光学元件的位置、角度。
[0009]激光合束器的发射光经棱镜进入光路传输模块聚焦至待测样本表面；ICCD相机正对二向色镜的反射光方向设置，光纤合束器的接收的光信号分别进入中阶梯光谱仪和ICCD光谱仪。
[0010]在一些具体实施方案中，所述监测装置包含摄像头模块，所述摄像头模块设在第一聚焦透镜和光路扫描装置之间；所述第一激光器采用高能脉冲激光器，第二激光器采用波长可调谐激光器。
[0011]具体的，所述第一激光器采用Nd:YAG纳秒脉冲激光器、皮秒、飞秒等其他类型的高能脉冲激光器，第二激光器采用染料激光器或光学参量振荡器等其他类型波长可调谐激光器。
[0012]一种激光诱导击穿光谱和激光诱导荧光光谱联合的分析方法，采用上述的分析系统，并包括以下步骤：步骤1，控制系统根据监测装置拍摄的待测样本的表面图像锁定待分析区域，生成待空间扫描的位置坐标；步骤2，控制系统根据待空间扫描的位置坐标，调整光谱分析系统各光学模块的姿
态，开启导引激光器，精确锁定分析位置，根据待测样本的空间构型的位置信息，得到光谱分析的探测距离、入射激光与待测样本之间的角度，调整光路传输模块中光学元件的位置；步骤3，控制系统按照特定时序分别触发第一激光器、中阶梯光谱仪和ICCD相机，第一激光器发射的高能脉冲激光依次经扩束整形模块、激光合束器、光路传输模块聚焦至待测样本，激光烧蚀待测样本的杂质层产生等离子体，中阶梯光谱仪采集等离子体的光谱信息，ICCD相机采集不同时刻的等离子体图像；步骤4，控制系统触发第二激光器，第二激光器发射的高能激光脉冲经扩束整形模块、激光合束器、光路传输模块聚焦后充分辐照所述的等离子体，等离子体中的痕量物质产生的荧光光谱通过光路传输模块传输至ICCD光谱仪；步骤5，控制系统的计算机分析系统基于步骤3的等离子体的光谱信息对待测样本的主量元素进行定量分析；基于步骤4的荧光光谱对杂质层中的痕量物质进行定量分析，给出测量点位的沉积杂质构成；步骤6，重复步骤2
‑
4，对待测样本同一位置的杂质层元素进行深度分析，控制系统根据ICCD光谱仪采集的等离子体图像数据，判断激光烧蚀的深度位置，当ICCD光谱仪采集不到等离子体图像数据时，结束该位置的光谱分析；步骤7，重复步骤2...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种激光诱导击穿光谱和激光诱导荧光光谱联合的分析系统，它包括控制系统（1）、用于拍摄待测样品表面图像的监测装置（2）和光谱分析系统，其特征在于，所述光谱分析系统包含光谱分析模块、光路传输模块和信号接收模块；光路传输模块包含多个光学元件，用于聚焦入射光至待测样本和/或导引待测样本表面产生的等离子体信号；所述光谱分析模块包含导引激光器（4）、第一激光器（5）、第二激光器（17）和激光合束器（6）；导引激光器（4）的发射光、第一激光器（5）的发射光通过第一扩束整形模块（11）、第二激光器（17）的发射光通过第二扩束整形模块（18）分别入射至激光合束器（6），激光合束器（6）的发射光经光路传输模块入射至待测样本表面；所述信号接收模块包含中阶梯光谱仪（16）、ICCD光谱仪（19）和ICCD相机（20），待测样本表面产生的等离子体信号通过光路传输模块分别入射至阶梯光谱仪（16）、ICCD光谱仪（19）和ICCD相机（20）；控制系统（1）分别通信连接监测装置（2）、导引激光器（4）、第一激光器（5）、激光合束器（6）、第二激光器（17）、中阶梯光谱仪（16）、ICCD光谱仪（19）和ICCD相机（20）。2.根据权利要求1所述的分析系统，其特征在于，所述光路传输模块包含从右至左依次设置的真空窗口（9）、光路扫描装置（3）、第一聚焦透镜（8）、棱镜（7）、第二聚焦透镜（13）、二向色镜（14）和光纤合束器（15）；控制系统（1）通信连接光路扫描装置（3），光路扫描装置（3）包含反射镜或者反射镜组；激光合束器（6）的发射光经棱镜（7）进入光路传输模块聚焦至待测样本表面；ICCD相机（20）正对二向色镜（14）的反射光方向设置，光纤合束器（15）的接收的光信号分别进入中阶梯光谱仪（16）和ICCD光谱仪（19）。3.根据权利要求1所述的分析系统，其特征在于，所述监测装置（2）包含摄像头模块、LED照明模块、光学反射镜或者光学反射镜，光学反射镜或者光学反射镜组设在第一聚焦透镜（8）和光路扫描装置（3）之间；所述第一激光器（5）采用高能脉冲激光器，第二激光器（17）采用波长可调谐激光器。4.一种激光诱导击穿光谱和激光诱导荧光光谱联合的分析方法，其特征在于，通过第一激光器发射高能激光脉冲聚焦至待测样本表面，激光诱导待测样本的杂质层产生等离子体，通过第二激光器发射高能激光脉冲聚焦至所...
【专利技术属性】
技术研发人员：海然，丁洪斌，董丹丹，冯春雷，李聪，吴鼎，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。