基于光学相干层析技术实时检测聚变堆第一壁损伤的方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103344646 A (43)申请公布日 2013.10.09 CN 103344646 A *CN103344646A* (21)申请号 201310258078.9 (22)申请日 2013.06.25 G01N 21/88(2006.01) G21B 1/25(2006.01) (71)申请人 中国人民解放军陆军军官学院 地址 230031 安徽省合肥市蜀山区黄山路 451 号 (72)发明人 王平 汪卫华 杨锦宏 麻晓敏 祁俊力 张强华 储德林 邓海飞 (74)专利代理机构 北京科迪生专利代理有限责 任公司 11251 代理人 成金玉 卢纪 (54) 发明名。

2、称 基于光学相干层析技术实时检测聚变堆第一 壁损伤的方法 (57) 摘要 一种基于光学相干层析技术实时检测聚变堆 第一壁损伤的方法。 所述的检测系统由宽带光源、 光纤耦合器、 自聚焦透镜、 探测器、 放大器、 数据采 集及被检测的第一壁等组成。宽带激光经 22 光纤耦合器分为两束， 一束光照射到参考镜， 经反 射， 作为参考光。另一束光照射到聚变堆第一壁， 经第一壁反射， 作为信号光。这两束光在光纤耦 合器中产生干涉信号， 探测器接收干涉信号， 经放 大， 计算机处理， 就能重建出第一壁损伤的实时三 维深度图像。将得到的图像与标准图像相比较， 直观方便得到第一壁损伤的情况。本发明基于光 学相干。

3、层析技术， 分辨率高， 图像清晰， 为聚变堆 第一壁表面及内部损伤提供了一种可行的检测方 法。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103344646 A CN 103344646 A *CN103344646A* 1/1 页 2 1. 一种基于光学相干层析技术实时检测聚变堆第一壁损伤的方法， 其特征包含以下步 骤 ： S1: 选择近红外波段宽带低相干光源 ； S2: 选择光纤耦合器， 要求选择与光源相匹配的光纤耦合器 ； S3: 光。

4、源发出的宽带低相干光经过光纤耦合器后分成两束， 其中一束经过参考臂的扫 描系统反射形成参考光， 另一束经过物镜聚焦到托克马克第一壁， 其背向散射光作为信号 光 ； S4: 信号光与参考光在光纤耦合器处重新汇合 ； S5: 参考臂用来产生光程差及差频信号， 出射光经过准直后垂直射入平面镜后返回， 参 考臂步进电机的来回扫描产生光程变换， 用以匹配样品臂的光程。当参考臂和样品臂的光 程差小于相干长度时， 便会产生干涉信号 ； S6: 测量从第一壁反射回来的光延迟， 纵向移动参考镜， 使参考光与信号光产生干涉， 记录参考镜的空间位置， 便可得到第一壁及其内部相对应的空间位置信息 ； S7: 耦合器的。

5、输出是参考光与背向散射光的相干迭加， 由光电探测器探测， 将光信号转 换成电信号， 再经过前置放大、 带通滤波等过程来增强信号， 削弱噪声， 然后由 AD 采样将模 拟信号转换成数字信号存储在计算机中， 最后由实现信号处理与图像显示 ； S8: 得到第一壁深度方向的一维测量数据， 再进行扫描， 就能够测量样品的二维数据， 对信号进行处理， 便获取样品的三维层析图像 ； S9: 将获取的三维层析图像与第一壁标准样品的样本图像进行匹配， 据此判断第一壁 损伤状况， 实现第一壁损伤的实时在线检测。 2. 根据权利要求 1 所述的一种基于光学相干层析技术实时检测聚变堆第一壁损伤的 方法， 其特征在于 。

6、： 所述的步骤 S1 中， 选择 1300nm 超发光二极管 （SLD） 光源， 带宽为 50nm， 纵向分辨率分别为 6m。 3. 根据权利要求 1 所述的一种基于光学相干层析技术实时检测聚变堆第一壁损伤的 方法， 其特征在于 ： 所述的步骤 S2 中， 选择 22 单模光纤单窗宽带耦合器。 权 利 要 求 书 CN 103344646 A 2 1/4 页 3 基于光学相干层析技术实时检测聚变堆第一壁损伤的方法 技术领域 0001 本发明涉及光学相干层析 （Optical Coherence Tomography， OCT） 技术检测托卡 马克聚变堆第一壁损伤领域， 具体利用从第一壁背向散射。

7、光与参考光的干涉， 通过图像处 理与识别实现对第一壁损伤的实时检测。 背景技术 0002 未来聚变堆第一壁材料问题是实现磁约束聚变的瓶颈问题之一。 托卡马克聚变堆 中， 第一壁除受到高温等离子体发射的高能中子 (14MeV)、 氦原子 (3.5MeV)、 光子能量 ( 均 匀地沉积在第一壁上， 约占全部表面热负荷的2060%)的强辐照作用外， 还会受到高能逃 逸粒子流的撞击， 特别是等离子体放电或等离子体破裂时， 产生大量高能逃逸电子撞击第 一壁表面材料， 造成严重的局部损伤， 从而使部件丧失功能而需要更换。例如 ITER 规模的 实验堆， 放电破裂、 等离子体熄灭、 VDE 事件等， 破裂时。

8、的能量损失包括热猝灭和电流猝灭两 个阶段， 热猝灭阶段 ( 1 毫秒 )， 约 95% 的等离子体内能所产生的高热负荷作用到第一壁 上。电流猝灭阶段 ( 几十毫秒 )， 高达 70% 的等离子体电流 ( 15MA) 转化为逃逸电流， 库仑碰撞雪崩效应将部分电子加速至相对论速度， 形成能量高达 50MeV 逃逸电子打在面 向等离子体部件上， 且偏滤器位形使逃逸电子能量沉积呈显著局域化， 对第一壁造成严重 的局部损伤。 0003 此外， 来自聚变堆芯部的稳态能流、 粒子流造成中子辐照损伤， 氢脆 (D、 T)， 氦脆和 气体肿胀。如第一壁钨材料， 其表面会发生捕获聚集、 长大起泡甚至形成表面纳米丝。

9、状结 构， 降低了表面热导率， 增大熔化可能性。因此， 聚变堆运行时需要具有在线检测第一壁表 面状况的手段， 这对聚变堆安全运行具有重要意义。 0004 目前， 对第一壁表面损伤进行检测的有效方法大多处在研发阶段， 调研情况表明 主要有以下几个方面 ： 采用基于原位和高时间分辨率方法研究材料刻蚀、 迁移、 再沉积机 制 ； 采用散斑干涉仪检测材料表面刻蚀形貌 ； 运用激光诱导击穿光谱对共沉积层化学成分 变化和 H 滞留含量的原位监测 ； 利用 CdTe 半导体探测器和 BGO 闪烁体诊断系统， 探测逃逸 电子对第一壁材料产生的硬 X 射线轫致辐射 ； 利用红外测量与数字图像相关分析的光学应 变。

10、分布测量方法 ； 利用电磁超声无损检测界面缺陷与第一壁层厚变化 ； 利用多光谱偏振光 检测第一壁光学常数变化。 0005 现有的光学相干层析技术主要运用于生物医学方面， 关于光学相干层析技术应用 于金属材料损伤检测的报道很少。 OCT应用低相干干涉原理， 通过将样品的背向散射光与已 知光程的参考光进行比较， 只有与参考光等光程位置处的背向散射光才能产生干涉信号， 该信号的幅度反映了样品中该位置处的结构特征。 现有的检测方法难以实现高能粒子对第 一壁内部损伤的实时检测。 发明内容 0006 本发明技术解决问题 ： 克服现有技术的不足， 提供一种基于光学相干层析技术实 说 明 书 CN 10334。

11、4646 A 3 2/4 页 4 时检测聚变堆第一壁损伤的方法， 基于 OCT 技术， 通过对第一壁的三维成像， 实时呈现托克 马克反应堆第一壁内部结构及表面损伤的实时检测。 0007 本发明采用的技术方案为 ： 一种基于光学相干层析技术实时检测聚变堆第一壁损 伤的方法， 包括以下步骤 ： 0008 S1: 考虑纵向分辨率与脉宽成正比， 与中心波长成反比， 灵敏度与中心波长成正 比， 为了提高灵敏度与纵向分辨率， 选择近红外波段宽带低相干光源 ； 近红外波段的低相干 光源作为入射光源， 如 840nm、 1300nm 超发光二极管 （SLD） 光源 ； 0009 S2: 设置光纤耦合器。选择与。

12、光源相匹配的光纤耦合器， 如 22 单模光纤单窗宽 带耦合器 ； 0010 S3: 光源发出的宽带低相干光经过光纤耦合器后分成两束， 其中一束经过参考臂 的扫描系统反射形成参考光， 另一束经过物镜聚焦到托克马克第一壁内部， 其背向散射光 与参考光在光纤耦合器处重新汇合 ； 0011 S4: 在样品臂和参考臂的光纤出射端， 采用自聚焦透镜作为准直器， 产生平行光 ； 0012 S5: 参考臂主要用来产生光程差及差频信号， 出射光经过准直后垂直射入平面镜 后返回， 参考臂步进电机的来回扫描产生的光程变换和匹配样品臂的光程， 当参考臂和样 品臂的光程差小于相干长度时， 便会产生干涉信号 ； 0013。

13、 S6: 测量从第一壁 （包括内部） 反射回来的光延迟， 纵向移动参考镜， 使参考光与 信号光产生干涉， 记录参考镜的空间位置， 便可得到第一壁及其内部相对应的空间位置信 息 ； 0014 S7: 耦合器的输出是参考光与背向散射光的相干迭加， 由光电探测器探测， 将光信 号转换成电信号， 再经过前置放大、 带通滤波等过程来增强信号， 削弱噪声， 然后由 AD 采样 将模拟信号转换成数字信号存储在计算机中， 最后由软件实现信号处理与图像显示 ； 0015 S8: 得到第一壁深度方向的一维测量数据， 再进行扫描， 就可测量样品的二维数 据， 对信号进行计算机处理， 便可获取样品的三维层析图像 ； 。

14、0016 S9: 获取图像与第一壁标准样品样本图像进行匹配， 据此判断第一壁损伤状况。 0017 本发明的特征在于 ： 现有的光学相干层析技术主要运用于生物医学方面， 关于光 学相干层析技术应用于金属材料损伤检测的报道很少， 本发明首次提出运用光学相干层析 技术检测托克马克反应堆第一壁损伤的方法， 该方法三维成像特征可实时检测第一壁表面 及内部损伤。采用宽带低相干光源， 光学相干层析技术纵向分辨率可达到微米数量级。第 一壁的背向散射光与参考光的光程小于相干长度时， 产生干涉信号。通过参考臂的纵向扫 描， 可以测得背向散射光的幅度和回波时延， 结合这两个参数可以得到托克马克第一壁表 面及内部结构。

15、信息， 由多次连续的纵向扫描即可组成一幅三维的第一壁内部形态结构截面 图像， 获取图像与第一壁标准样品样本图像进行匹配， 据此判断第一壁损伤状况。 0018 本发明与现有技术相比的优点在于 ： 0019 （1） 本发明采用光学相干层析技术检测第一壁损伤， 具有非接触、 高精度、 快速实 时、 简便等特点。 0020 （2） 与常用光学检测方法不同， 该方法基于光学相干层析技术， 分辨率高 （微米量 级） ， 图像清晰。通过对参考臂与第一壁的纵向扫描， 得到干涉信号光强随距离的变化， 经信 号处理和图像显示， 获取图像与第一壁标准样品样本图像进行匹配， 可实现对第一壁损伤 说 明 书 CN 10。

16、3344646 A 4 3/4 页 5 的实时快速检测。 附图说明 0021 图 1 为光路原理示意图 ； 0022 图 2 为第一壁表面及内部检测光路示意图。第一壁表面及内部出现肿胀和气泡， 干涉信号光强与距离的关系。 具体实施方式 0023 下面结合附图给出本发明的具体实施方式， 以详细说明本发明的技术方案。 0024 如图 1 所示， 本发明采用的检测系统由光学平台支架、 宽带光源、 光纤耦合器、 自 聚焦透镜、 探测器、 放大器、 数据采集及被检测的第一壁等组成。宽带光源发出的激光经 22 光纤耦合器分为两束， 一束光经自聚焦透镜照射到参考镜， 经参考镜反射， 作为参考 光。 另一束光。

17、经自聚焦透镜和透镜照射到托卡马克聚变堆第一壁， 经第一壁反射， 作为信号 光。 这两束光在光纤耦合器中相遇， 产生干涉信号， 探测器接收干涉信号， 经放大器放大， 数 据采集， 计算机处理， 就能重建出第一壁损伤的实时三维深度图像。 将得到的图像与标准图 像相比较， 直观方便的得到第一壁损伤的情况。 0025 如图 1 所示， 为本发明具体实施的光路原理图。 0026 步骤 101 设置宽带低相干光源。选择近红外波段的低相干光源作为入射光源， 如 840nm、 1300nm 超发光二极管 （SLD） 光源 ； 0027 步骤 102 设置光纤耦合器。选择与光源相匹配的光纤耦合器， 如 22 单。

18、模光纤单 窗宽带耦合器 ； 0028 步骤 103 光源发出的宽带低相干光经过光纤耦合器后分成两束， 其中一束经过参 考臂的扫描系统反射形成参考光， 另一束经过物镜聚焦到托克马克第一壁内部， 其背向散 射光与参考光在光纤耦合器处重新汇合 ； 0029 步骤 104 在样品臂和参考臂的光纤出射端， 采用自聚焦透镜作为准直器， 产生平 行光 ； 0030 步骤 105 参考臂主要用来产生光程差及差频信号， 出射光经过准直后垂直射入平 面镜后返回， 参考臂步进电机的来回扫描产生的光程变换和匹配样品臂的光程， 当参考臂 和样品臂的光程差小于相干长度时， 便会产生干涉信号 ； 0031 步骤106测量从。

19、第一壁 （包括内部） 反射回来的光延迟， 纵向移动参考镜， 使参考光 与信号光产生干涉， 记录参考镜的空间位置， 便可得到第一壁及其内部相对应的空间位置 信息 ； 0032 步骤 107 耦合器的输出是参考光与背向散射光的相干迭加， 由光电探测器探测， 将光信号转换成电信号， 再经过前置放大、 带通滤波等过程来增强信号， 削弱噪声， 然后由 AD 采样将模拟信号转换成数字信号存储在计算机中， 最后由软件实现信号处理与图像显 示。 0033 步骤 108 得到第一壁深度方向的一维测量数据， 再进行扫描， 就可测量样品的二 维数据， 对信号进行计算机处理， 便可获取样品的三维层析图像 ； 0034。

20、 步骤 109 获取图像与第一壁标准样品样本图像进行匹配， 据此判断第一壁损伤状 说 明 书 CN 103344646 A 5 4/4 页 6 况。 0035 以上虽然描述了本发明的具体实施方法， 但是本领域的技术人员应当理解， 这些 仅是举例说明， 在不背离本发明原理和实现的前提下， 可以对这些实施方案做出多种变更 或修改 （例如， 宽带低相干光源可以是可见光、 近红外可调激光源， 放大自辐射光源或者是 光子晶体光纤激光器） ， 因此， 本发明的保护范围由所附权利要求书限定。 说 明 书 CN 103344646 A 6 1/1 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103344646 A 7 。