一种精确控制第一镜样品表面温度的加热方法与流程

本发明涉及等离子体与材料相互作用技术领域，尤其涉及一种精确控制第一镜样品表面温度的加热方法。

背景技术：

在磁约束核聚变实验装置中，光学诊断是获取等离子体运行状态与控制信号的最主要的等离子体诊断手段之一。随着装置规模的增大，特别是偏滤器结构的使用，许多光学诊断系统必须在装置的真空室内设置反射镜，其中距离等离子体最近的反射镜我们称之为第一镜。由于直接面对等离子体，第一镜将会遭受紫外及X射线、γ射线等的辐照以及电荷交换原子的轰击，更为严重的是壁材料溅射或壁处理元素产生的杂质在第一镜表面形成沉积层，对光波信号产生吸收和相消干涉等现象，严重降低第一镜的光学性能。为避免杂质的沉积导致第一镜光学性能恶化，保证相关光学诊断系统的正常运行，必须采取有效的方法抑制第一镜表面沉积层的生长。目前采用机械挡板的方法，壁处理期间关闭挡板来保护第一镜免受壁处理元素的污染；但是当主等离子体放电第一镜工作时，必须要打开挡板，这样挡板便无法阻止杂质粒子在第一镜表面的沉积。通过加热的方法提高第一镜表面的温度一方面使吸附在第一镜表面的气体脱附，另一方面可通过增强化学腐蚀作用缓解第一镜表面碳杂质的沉积。低温下氢等离子体对碳材料的化学溅射产额较低。随着温度的升高，碳材料的化学腐蚀逐渐增加至最大，其主要产物为CH₄，在高温下CH₄获得能量较易从材料表面脱附，从而减少第一镜表面碳的沉积。DIII-D和HL-2A装置上已开展过相关实验，但在DIII-D的加热结构中的热电偶只能测量加热器的温度，无法准确地估测第一镜表面的实际温升值，导致不能定量地分析实验结果。在HL-2A上使用的加热器，使用了单独的空间安装第一镜加热系统，因此并未考虑热散失效应。而在EAST、ITER及其以后的反应堆中为了最大化的利用空间，第一镜加热系统势必要与其它部件一起使用，必须要设计热屏蔽结构防止热量散失。除此之外，由于热电偶是接触式测量，无法避免热惯性造成的温度显示滞后性，很容易将第一镜加热到预设温度点以上，而在无冷却系统的情况下温度降低极为困难。因此，亟需发展一种具有热屏蔽层同时又能准确地测量第一镜样品表面温度并精确控制加热过程的方法。

技术实现要素：

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种精确控制第一镜样品表面温度的加热方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种精确控制第一镜样品表面温度的加热方法，包括以下步骤：

（1）将第一镜样品安装在加热装置上，并在第一镜样品侧面配备测温热电偶；

（2）直流电源将功率输入至PID控制电路，PID控制电路分别与加热装置和测温热电偶相连；

（3）安装在第一镜样品上的测温热电偶将温度变化反馈给PID控制电路，PID控制电路通过调节输入加热装置的电流来调节第一镜样品表面的加热温度。

所述的第一镜样品材料为金属（如316不锈钢、钼、钨、铜等），表面高度抛光至镜面，配备的测温热电偶的直径为1.5毫米，最高测量温度为1000摄氏度。

所述的PID控制电路由PID控制器、LC滤波电路串联组成，PID控制器与直流电源相连，对目标温度与反馈的第一镜样品表面温度作运算，并将结果转换为PWM调制信号再经由LC滤波转换为直流信号后输入到加热装置对第一镜样品进行加热。

所述的加热装置包括有不锈钢包层、铠装加热丝、传热柱、隔热层和K型测温热电偶，所述的铠装加热丝缠绕在传热柱上，铠装加热丝被不锈钢包层包裹构成柱形的加热器，所述的隔热层包裹在加热器外侧，隔热层与加热器底部相连，中间留有散热距离，所述的K型热电偶与加热器连接，并通过真空腔的法兰接线柱，外接至温度显示器上，监测加热器的温度变化；所述的第一镜样品安装在传热柱的顶部，PID自动控制电路通过真空腔法兰上的接线柱与铠装加热丝相连。

所述的铠装加热丝直径3.2毫米，长2米，外部材料为SUS316，表面极限温度可达750摄氏度；所述的传热柱是用热导率高的金属制成，被加热丝缠绕后再由不锈钢包层包裹构成圆柱状的加热器，所述的隔热层距离加热器5毫米，用316不锈钢制成，厚度1毫米；在隔热层与加热器之间设有陶瓷垫片。

在第一镜样品的侧面距离上表面1mm处开直径为1.5mm的小孔用来固定测温热电偶，测温热电偶与PID控制电路相连，PID控制电路通过调节输入加热装置的电流来调节第一镜样品表面的加热温度，实现对温度的负反馈。

本发明通过提高第一镜表面的温度使杂质（尤其是碳和铍杂质）在高温下与氢及同位素结合生成化合物来避免其在第一镜表面的沉积，通过这一化学腐蚀过程，主动地避免粒子直接到达并沉积在第一镜上，从而延长第一镜的寿命。本发明的关键就是准确测量第一镜样品表面温度并精确地控制温升过程。碳与氢的化学腐蚀速率理论上随温度的升高先增高后降低，约在250度左右达到最大值，此加热装置远远可以满足要求。此加热系统将会安装在聚变装置中接受等离子体辐照，聚变装置中子系统众多，在系统中加入隔热层，一方面可最大化地利用能量，另一方面避免加热系统附近的部件因服役温度升高而失效。实验中选择的电源是直流电源，而不是射频电源、脉冲电源，因为在实验室中已经验证直流电源因其电压电流值稳定才可保证加热过程的正常进行。在加热过程中，由于热惯性的存在易使温度显示滞后，导致实际温度高于预设值，而在聚变装置的高真空环境中，难以通过自然冷却使得温度降低，因此精确地控制温升过程显得极为重要，采用PID自动控制电路可解决这一问题。

本发明的优点是：本发明结构简单，可行性强，在ITER及以后的聚变反应堆中均可使用；隔热层的加入使得该系统的运用性更强，大大减少了对装置中其它部件工作温度的影响，最大程度地保障了装置的安全运行。采用PID自动控制电路可精确地控制温升过程，保证加热过程安全有效地进行。采用此种方法实现温升的精确控制，可替代在装置集成主动冷却系统来控温的方法，可大大节省聚变装置中空间的使用。

附图说明

图1为本发明工作原理图。

图2为本发明结构图。

具体实施方式

如图1、2所示，一种精确控制第一镜样品表面温度的加热方法，包括以下步骤：

（1）将第一镜样品1安装在加热装置12上，并在第一镜样品1侧面配备测温热电偶2；

（2）直流电源3将功率输入至PID控制电路，PID控制电路分别与加热装置和测温热电偶2相连；

（3）安装在第一镜样品1上的测温热电偶2将温度变化反馈给PID控制电路，PID控制电路通过调节输入加热装置12的电流来调节第一镜样品1表面的加热温度。

所述的第一镜样品材料为金属（如316不锈钢、钼、钨、铜等），表面高度抛光至镜面，配备的测温热电偶的直径为1.5毫米，最高测量温度为1000摄氏度。

所述的PID控制电路由PID控制器4、LC滤波电路5串联组成，PID控制器4与直流电源3相连，对目标温度与反馈的第一镜样品1表面温度作运算，并将结果转换为PWM调制信号再经由LC滤波转换为直流信号后输入到加热装置对第一镜样品1进行加热。

所述的加热装置包括有不锈钢包层6、铠装加热丝7、传热柱8、隔热层9和K型测温热电偶10，所述的铠装加热丝7缠绕在传热柱8上，铠装加热丝7被不锈钢包层6包裹构成柱形的加热器，所述的隔热层9包裹在加热器外侧，隔热层9与加热器底部相连，中间留有散热距离，所述的K型热电偶10与加热器连接，并通过真空腔的法兰接线柱，外接至温度显示器上，监测加热器的温度变化；所述的第一镜样品1安装在传热柱8的顶部，PID自动控制电路通过真空腔法兰上的接线柱与铠装加热丝7相连。

所述的铠装加热丝7直径3.2毫米，长2米，外部材料为SUS316，表面极限温度可达750摄氏度；所述的传热柱8是用热导率高的金属制成，被加热丝缠绕后再由不锈钢包层包裹构成圆柱状的加热器，所述的隔热层9距离加热器5毫米，用316不锈钢制成，厚度1毫米；在隔热层9与加热器之间设有陶瓷垫片11。

在第一镜样品1的侧面距离上表面1mm处开直径为1.5mm的小孔用来固定测温热电偶2，测温热电偶2与PID控制电路相连，PID控制电路通过调节输入加热装置的电流来调节第一镜样品表面的加热温度，实现对温度的负反馈。