托卡马克装置之无损伤检测

太赫兹（Terahertz or THz）波通常指的是频率处在0.1THz~10THz之间的电磁波，介于微波和红外之间。太赫兹时域光谱系统是一种相干探测技术，能够同时获得太赫兹脉冲的振幅信息和相位信息，通过对时间波形进行傅立叶变换能直接得到样品的吸收系数和折射率等光学参数。

在核聚变托卡马克装置中，等离子体与壁材料相互作用将会产生灰尘。灰尘的成因非常复杂，涉及到多种等离子过程，同时灰尘颗粒打击或者沉积到第一壁上时有可能改变壁材料的热传导率及其他性质。太赫兹时域光谱技术探测灵敏度很高，所以已经广泛应用于材料性质的分析中。

托卡马克装置中灰尘成分主要有钨、铍、钼、碳、硼、氧、硅、铬、锰等，理论模拟计算表明，这些成分沉积在钨第一壁上在太赫兹波段的吸收谱可以特征识别，不同成分与钨表面结合的太赫兹频域谱特征谱线出现的位置不同，同时同一成分随着沉积在钨上薄膜厚度的变化，虽然太赫兹波射入第一壁反射回的太赫兹频域谱的特征谱线位置不变，但是谱线强度会发生相应的变化，根据这一特征，可以结合模拟实验及分子动力学方法确定不同成分沉积在钨表面若干条特征谱线峰值位置，将实验所得与理论计算结果对比，从而确定成分。其工作包括以下步骤：

步骤1：在托卡马克磁约束聚变装置工作时，将太赫兹波垂直入射到需要检测的区域，即托卡马克钨第一壁，探头测量并记录由托卡马克钨第一壁反射回的太赫兹时域波谱；

步骤2：分析处理上述太赫兹时域波谱，将太赫兹时域波谱在有效频域内做傅里叶变换，得到太赫兹频域谱；

步骤3：计算机理论模拟不同灰尘成分沉积在钨第一壁上的太赫兹频域谱，并记录不同灰尘成分的太赫兹特征谱线位置；对于同一种灰尘成分，模拟不同厚度与标定厚度（如1μm）时太赫兹特征谱线的相对强度比，得到每一种灰尘成分的沉积层厚度d与相对强度比R的函数关系R=f(d)，集成为计算机数据库；

步骤4：选取步骤2实验所得的太赫兹频域谱的特征谱线，将此太赫兹特征谱线位置与数据库中不同灰尘的太赫兹特征谱线位置相比对，确定灰尘成分；

步骤5：确定灰尘成分后，将该灰尘成分的太赫兹特征谱线与数据库标定厚度的太赫兹特征谱线相比较，得到相对强度比，再与数据库中的沉积层厚度-相对强度比的函数关系进行对照，确定沉积层厚度；

步骤6：将托卡马克钨第一壁沉积层成分及厚度信息输出，并保存于计算机系统中，完成对托卡马克钨第一壁灰尘成分及厚度的检测。

利用反射太赫兹时域谱技术结合计算机数据库，为快速、同步检测磁约束聚变托卡马克装置钨第一壁灰尘沉积层成分以及厚度提供了条件，在磁约束装置窗口外向托卡马克第一壁探测区域发射太赫兹波，并接收反射时域谱，将其转换成频域谱，最后与计算机数据库进行比对，确定灰尘成分和沉积层厚度，从而达到同步在线且无接触无损伤检测。

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