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的制作方法
【专利摘要】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（He：4.003，D2：4.028）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。
【专利说明】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
【技术领域】:
[0001]本发明涉及聚变反应堆偏滤器内中性气体测量领域，具体是利用潘宁放电产生的低温等离子体中氦气和氘气放电的特征波长不同，通过光纤、透镜组、滤光片等组合，设计实现的定量测量氦气以及氘气分压的一种技术手段。
【背景技术】:
[0002]在托卡马克聚变反应中无论D-D还是D-T，其部分能量都是以a粒子(经过中性化后成为氦气)形式释放出来的。为了防止反应产物(He)逐步稀释燃料并最终导致等离子体熄灭，下一代热核聚变装置(ITER)中必须以尽可能快的速度将反应生成的He抽出等离子体(He在等离子体中含量必须小于10%，否则由于燃料气体的稀释将熄灭等离子体)。ITER最新数据模拟显示必须在7~15倍的能量约束时间内将新产生的He抽出等离子体，否则将无法维持运行。从等离子体中心向外部排出反应产物a粒子(He)的速度(He清除率)将决定了等离子体放电长度，所以对于任何一个聚变装置来说He清除率的研究都是一个重要的基本课题。但是由于He(分子量:4.003)与聚变反应的燃料气体D2(分子量:4.028)的分子量差别微乎其微，所以普通质谱计根本无法区分。有一种高频回旋质谱仪可以分辨抱和仏，但是它无法运行在复杂的电磁场环境下而且只能工作在10_4Pa以下的真空环境中。而托卡马克的偏滤器存在数特斯拉(T)量级的强磁场，等离子体运行时偏滤器的真空正常情况下即可上升到Pa量级等等，这些条件限制均导致目前商业质谱计无法在托卡马克中应用于监测氦氘分量。由于再循环导致He从第一壁释放，而且又缺乏直接测量He分压的诊断，这就使得无法得到He灰清除率数据。
[0003]虽然He和D2的质量数几乎相同，但是在可见光范围内的特征谱线(He_I: 5875A，D-a:6563A)差别明显。潘宁放电一方面可以激发中性气体在本地产生低温离子体以发射对应的特征谱线，另一方面潘宁放电受磁场影响小而且在很宽的真空范围内(<5E-2Pa，结合差分系统可以到几十Pa甚至上百Pa)可以产生稳定的等离子体，这样就为利用主动激发的潘宁放电实现区分托卡马克残余气体中氦与氘的光学质谱计诊断技术的研究提供了必要的理论基础。一旦该诊断系统搭建并正常运行将可以直接测量出He的分压，结合已有的常规诊断就可以开展托卡马克上He灰清除率、粒子输运、壁滞留等相关偏滤器物理研究。
[0004]在EAST托卡马克装置上开发一套利用主动激发的潘宁放电实现区分托卡马克残余气体中氦与氘的光学质谱计诊断并开展相关偏滤器物理研究，将有助于进一步优化EAST偏滤器的He灰排出以及理解粒子输运等问题，这无论对EAST还是对未来聚变装置ITER来说都非常重要，并具有实际指导意义。 [0005]有效的描述ITER偏滤器对粒子控制水平依赖于对各种排出气体成份演化过程的监测，包括燃料气体(H/D/T)以及反应产生的He。普通商业质谱计无法分辨He和D2，而高速的回旋质谱计又受制于ITER的放电环境(放电环境包括强磁场~5T以及复杂的电磁辐射)无法使用，并且他们有一个共同问题即响应时间长。此外、商业质谱计无法对偏滤器进行原位测量(考虑到提高测量的响应时间，一种方法是将质谱计安装在偏滤器下面进行原位测量)。而利用主动激发的潘宁放电实现区分托卡马克残余气体中氦与氘的光学质谱计诊断技术是一种通过在本地产生等离子体去激发偏滤器区域的中性气体发光的光学诊断系统，对于中性气体中我们感兴趣的气体成份可以通过干涉滤光片和光电倍增管组合进行测量其强度进而反演出该气体压强。利用主动激发的潘宁放电实现区分托卡马克残余气体中氦与氘的光学质谱计诊断技术已经被在一些国外托卡马克上用来测量原料气体D 2中H e, N e, A r等气体成份的浓度了。
[0006]目前ITER在偏滤器区域的诊断建设计划里面没有包括任何类似类型的诊断，其离装置最近的普通质谱仪(用来测量分压的通用质谱仪)是在装置下面大于10米的地方通过一个管道来对排出气体取样，因此ITER目前无法得到He分压并且响应时间较长(秒量级)。在TEXT0R，ALT-1以及ALT-1I上均已经使用了该诊断并发现:He分压在1E-3到IPa范围内，其特征谱线和对应的压强成线性关系；He的可测量最小浓度为1% ;系统的时间分辨率是毫秒量级。通过进一步的校准修正，可测量的压强范围可以进一步拓展和最小浓度都可以进一步降低。JET上的实验发现:该系统可以测量的He分压范围是1E-3到IE-1Pa ；其可测的最小氣氣比是0.5%。后来在DII1-D, Tore-Supra等主流托卡马克上也先后开展了相关的研究并取得了大量的实验数据。
[0007]在L 模下的 TEXTOR 和 JT-60 以及 ELM-H 模下的 JT-60U、DII1-D 和 ASDEXU 上，都进行了中性束注入He研究偏滤器氦灰排出的模拟实验。JT-60U上的早期实验发现，对于敞开式的偏滤器无论是L模还是ELM-H模氦灰的排出都相当容易。实验还发现内部输运垒里面的He灰排出相对于势垒外的要困难一倍以上，JT-60U此时的Pwk接近4。TEXTOR实验发现其He灰清楚效率约是8 %，其Pwk处于10到30之间。
【发明内容】
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[0008]本发明的目的是解决聚变反应中无论是普通的商业质谱计还是高级的回旋质谱计，均无法区分的反应燃料气体(D2)和反应产物气体(He)的问题。利用主动激发的潘宁放电实现区分托卡马克残余气体中氦与氘的光学质谱计诊断技术，通过主动激发潘宁放电获得的低温等离子体进而利用干涉滤光片等一系列光学设计可以实现区分He和D2，从而快速、经济、有效的实现对聚变反应中的原料气体和反应产物气体的区分。
[0009]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，包括用于产生等离子体的潘宁放电系统、准直透镜组、高透过率光纤、分光镜、准直镜组、窄带干涉滤光片、聚焦镜组、光电倍增管、数据采集处理系统，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发射特征光谱，He-1和D-α的波长迥异，将待测气体氘气(D2)和氦气(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发射的He-1和D-α光谱，进而测量出两种气体(He和D2)的绝对含量，具体包括以下步骤:
[0010]I) ,EAST是偏滤器位型托卡马克装置，该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；
[0011]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；[0012]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，所述的实验控制室是低噪音低干扰环境的；
[0013]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-1和D- α光谱信号，He-1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；
[0014]5)、借助已知准确比例的He/D2混合气体和标定后的精确的负压规管对该系统进行定标，具体步骤如下:
[0015]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IX 10_2Pa后再连续抽气烘烤10小时；
[0016]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真空规管；
[0017]③气体混合储气罐的一侧分别通过减压阀连接D2和He储气罐，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储气罐里先充入He到气体混合室气压为2 X IO4Pa,随后充入D2到气体混合室气压为IX IO5Pa,得到He =D2气压之比为1:4的混合气体；
[0018]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；
[0019]⑤随后通过上述诊断技术测量出He-1谱线和D-α光谱强度，在此基础上结合已知总压P和He/D2比例得出的He和D2的分压；
[0020]⑥重复5-①?5-⑤步骤，在5-③中配置不同的He/D2比例。
[0021]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分压的诊断技术得以实现。
[0022]所述的高透过率光纤是传输可见光波段的高透过率光纤，所述的光纤接收端准直透镜组的波长范围是585nm?660nm，所述的两组设置在不同光路上的准直透镜组、干涉滤光片、聚焦透镜组投过的中心波长分别是587.5nm和656.3nm，所述的干涉滤光片的带通是lnm，所述的真空抽气机组是601/s的无油低振动泵，分光镜是50% -50%功率分光镜。
[0023]本发明的原理是:
[0024]利用主动激发的潘宁放电实现区分托卡马克残余气体中氦与氘的光学质谱计诊断技术，一是利用潘宁放电将托卡马克中关心的残余气体电离获得低温等离子体方便进一步的研究，二是利用He-1和D-a在等离子体中的特征波长不同，借助于准直透镜组、光纤以及干涉滤光片等光学设备的帮助实现实时监测He和D2含量的技术。
[0025]由于SOL层内部电子温度在几十甚至上百电子伏特m，导致该区域的谱线被多普勒展宽进而相互串扰，最终导致无法进行光谱测量。而潘宁放电和普通的射频放电一样所产生的是冷等离子体，其电子能量只有大约5eV。所以各个待测元素的线辐射宽度相对较窄不容易发生谱线串扰现象也进一步保证了进行后续的光谱分析的可靠稳定。[0026]本发明的有益效果在于:
[0027]本发明利用He-1和D_a在低温等离子体中的特征波长不同，区分普通质谱计无法区分He和D2两个分子质量数异常接近(He:4.003, D2:4.028)的聚变原料气体(D2)和聚变产出气体(He)，实现实时监测托卡马克中He和D2演化的诊断技术，从而大大降低托卡马克装置中监测He和D2的技术难度，可以快速、经济、有效的实现对托卡马克残余气体中He和D2的实时监测，同时该诊断技术为将来ITER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
【专利附图】
【附图说明】:
[0028]图1是本发明的系统总体设计图；
[0029]图2是系统标定示意图；
[0030]其中图1中I为EAST偏滤器，2为中性气体取样管道，3为与装置隔断阀门；4为高透过率玻璃窗口，5为潘宁放电室，7为聚焦准直透镜组，8为共透过率光纤，9为光电倍增管，10为He-1谱线的聚焦透镜组，11为He-1谱线的窄带滤光片，12为He-1谱线聚的焦准直透镜组，13为50% -50%半透半反膜；
[0031]图2中I为60bar的高压高纯氦气储气罐，2为60bar的高压高纯氘气储气罐，3为氦气减压阀门，4为氘气减压阀门，5为高精度电容薄膜规，6为混合气体储气罐，7为微调阀门，8为经过标定的高精度热阴极规管，9为潘宁放电室，10为玻璃窗口及相应的光学系统，11为高真空抽气机组。
【具体实施方式】:
[0032]如图1-2所示，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，利用氘气(D2)和氦气(He)放电产生的低温等离子体发射光谱的特征波长迥异，将待测气体氘气(D2)和氦气(He)引入电离室，借助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发射光谱，进而测量出两种气体(也和队)的绝对含量，具体包括以下步骤:
[0033]I)、EAST是偏滤器位型托卡马克装置，该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；
[0034]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；
[0035]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，所述的实验控制室是低噪音低干扰环境的；
[0036]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He-1谱线和D- α光谱的光谱信号，He-1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；
[0037]5)、借助已知准确比例的He/D2混合气体和标定后的精确的负压规管对该系统进行定标，具体步骤如下:
[0038]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I X 10_2Pa后再连续抽气烘烤10小时；
[0039]②停止烘烤，开启储气罐上连接的对气体种类无选择性的真空规管；
[0040]③气体混合储气罐的一侧分别通过减压阀连接D2和He储气罐，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 X IO4Pa,随后充入D2到气体混合室气压为I X IO5Pa,得到He =D2气压之比为1:4的混合气体；
[0041]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；
[0042]⑤随后通过上述诊断技术测量出He-1谱线和D-α光谱强度，在此基础上结合已知总压P和He/D2比例得出的He和D2的分压；
[0043]⑥重复5-①?5-⑤步骤，在5-③中配置不同的He/D2比例。
[0044]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的经验公式，区分普通商业质谱计无法区分He和D2两个分子质量数异常接近(He:4.003，D2:4.028)的聚变原料气体(D2)和聚变产出气体(He)，托卡马克实验过程中通过光谱信号获得He、D2分压的诊断技术得以实现。
[0045]所述的高透过率光纤是传输可见光波段的高透过率光纤，所述的光纤接收端准直透镜组的波长范围是585nm?660nm，所述的两组设置在不同光路上的准直透镜组、干涉滤光片、聚焦透镜组投过的中心波长分别是587.5nm和656.3nm，所述的干涉滤光片的带通是lnm，所述的真空抽气机组是601/s的无油低振动泵，分光镜是50% -50%功率分光镜。
[0046]利用主动激发的潘宁放电实现区分托卡马克残余气体中氦与氘的光学质谱计诊断技术，通过实验标定发现在一定真空压强范围内(IX 10_4Pa?5X 10_2Pa)光强信号与分压强存在明显的线性关系、分辨率达到7X10_5Pa、暗电流小于ΙΟηΑ、信噪比约86dB。通过更换干涉滤光片以及滤光片前面准直透镜组的部分透镜可以轻易的实现监测其它气体(如Ne、Ar等)演化的目的，同时该诊断技术为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。。
【权利要求】
1.一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，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-1和D-α波长迥异进行区分仏和抱的诊断技术；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-1谱线和D-α谱线，进而测量出两种气体(He和D2)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，该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-1和D-α光谱信号，He-1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IXKT2Pa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(99.9999%)储气罐和高纯He(99.9999%)储气罐，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2X IO4Pa,随后充入D2到气体混合储气罐气压为IX IO5Pa,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随后通过上述诊断技术测量出He-1谱线和D-α光谱强度，在此基础上结合已知总压P和He/D2比例得出的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分压的诊断技术得以实现。
2.根据权利要求1所述的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，其特征在于:所述的光纤接收端准直透镜组的波长范围是585nm~660nm。
3.根据权利要求1所述的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，其特征在于:所述的两组设置在不同光路上的准直透镜组、干涉滤光片、聚焦透镜组透过的光谱中心波长分别是587.5nm和656.3nm。
4.根据权利要求1所述的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，其特征在于:所述的干涉滤光片的带通是lnm。
5.根据权利要求1所述的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， 其特征在于:所述的真空抽气机组是601/s的无油低振动泵。
【文档编号】G01N27/68GK103995047SQ201410108391
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年3月22日 优先权日:2014年3月22日
【发明者】王厚银, 胡建生 申请人:中国科学院等离子体物理研究所