[發(fā)明專利]一種原位實(shí)時(shí)定量診斷聚變裝置面壁部件腐蝕沉積的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010713562.6
• 申請(qǐng)日: 2020-07-23
• 公開（公告）號(hào): CN111929127B
• 公開（公告）日: 2023-06-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙棟燁;才來中;胡萬鵬;黃向玫;王亞磊;曾曉曉;馬會(huì)聰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 核工業(yè)西南物理研究院
• 主分類號(hào): G01N1/28
• 分類號(hào): G01N1/28;G01N21/71
• 代理公司: 核工業(yè)專利中心 11007
• 代理人: 高安娜

本發(fā)明聚變裝置等離子體測(cè)量技術(shù)，具體為一種原位實(shí)時(shí)定量診斷聚變裝置面壁部件腐蝕沉積的方法。首先制備等離子體輻照前多層膜PFCs，之后采集LIBS光譜，確定LIBS激光脈沖數(shù)和標(biāo)記層的絕對(duì)厚度，多層膜PFCs經(jīng)過輻照后，再次采集其LIBS光譜，確定LIBS激光脈沖數(shù)和標(biāo)記層絕對(duì)厚度，得出輻照前后的標(biāo)記層絕對(duì)厚度變化，積分求解得出PFCs腐蝕與沉積的絕對(duì)質(zhì)量。本方法深度分辨測(cè)量聚變等離子體輻照前后多層膜偏濾器面壁部件的厚度變化，絕對(duì)定量診斷出PFCs的腐蝕與沉積量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PFCs腐蝕與沉積的原位、實(shí)時(shí)診斷監(jiān)測(cè)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于聚變裝置等離子體測(cè)量技術(shù)，具體涉及一種聚變裝置面壁部件PFCs的腐蝕與沉積原位、實(shí)時(shí)診斷方法。

背景技術(shù)

在聚變裝置運(yùn)行中，等離子體面壁部件(Plasma?Facing?Components,PFCs)不斷受到來自等離子體的各種粒子的轟擊、高熱負(fù)荷沉積、瞬態(tài)高能量沖擊、以及電磁輻射和電磁力等的復(fù)雜作用，這不僅會(huì)造成材料的輻照效應(yīng)和損傷，導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生、遷移和聚集，引起表面和基體的變壞，還會(huì)發(fā)生背散射、解吸、物理濺射、化學(xué)腐蝕、結(jié)構(gòu)損傷等復(fù)雜現(xiàn)象。特別是對(duì)于聚變裝置偏濾器區(qū)域PFCs，進(jìn)入邊界層的聚變等離子體形成強(qiáng)烈的粒子流及熱流沿著開放的磁力線射向偏濾器靶板并與之產(chǎn)生強(qiáng)烈腐蝕與沉積等相互作用過程，嚴(yán)重改變PFCs性能并影響其使用壽命，對(duì)聚變裝置運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，在聚變裝置運(yùn)行中，部分被腐蝕的PFCs材料會(huì)成為雜質(zhì)和灰塵經(jīng)輸運(yùn)電離后遷移至聚變主等離子體，造成輻射損失，致使等離子體密度和溫度顯著下降，約束品質(zhì)變壞，對(duì)聚變等離子體的高參數(shù)運(yùn)行產(chǎn)生極大地負(fù)面影響；另一方面部分被腐蝕材料與燃料粒子結(jié)合沉積致等離子體面壁部件，發(fā)生雜質(zhì)沉積、燃料滯留等諸多問題，致使PFCs表面基體變壞，影響聚變等離子體高參數(shù)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。綜上，聚變裝置PFCs的腐蝕與沉積直接制約了聚變裝置的運(yùn)行壽命與運(yùn)行成分，且關(guān)乎聚變等離子體高參數(shù)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，是聚變領(lǐng)域要解決的重要問題之一。因此，急需發(fā)展一種可原位、實(shí)時(shí)診斷評(píng)估聚變裝置PFCs的腐蝕與沉積的方法。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜(Laser-induced?breakdown?spectroscopy，LIBS)因其具有可以實(shí)時(shí)全元素分析、純光學(xué)元件連接等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用在礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、分析化學(xué)、工業(yè)冶金在線檢測(cè)以及聚變裝置第一壁診斷等多個(gè)領(lǐng)域。LIBS工作原理為一束高能脈沖激光燒蝕樣品，極度預(yù)熱電離被分析區(qū)域一小塊體積，在受輻照區(qū)域上方產(chǎn)生瞬態(tài)激光等離子體，在等離子體冷卻的過程中，會(huì)向外發(fā)射包含元素信息的特征光譜，通過收集并分析這些特征光譜，便可以得到樣品中的元素成分信息。現(xiàn)階段LIBS技術(shù)已被用來診斷PFCs表面元素成分信息，但卻鮮見使用LIBS技術(shù)診斷面壁部件的材料腐蝕與沉積量的報(bào)道。一方面由于當(dāng)前原位LIBS定量分析精準(zhǔn)度差，未能達(dá)到聚變裝置對(duì)壁診斷的要求，幾乎所有LIBS診斷PFCs均為定性或半定量分析。另一方面LIBS診斷原理為通過深度分布來確定是否沉積以及沉積層的厚度，但對(duì)于凈腐蝕區(qū)其表層元素與基體材料元素相同，難以確定是否發(fā)生腐蝕以及腐蝕深度。雖然，依據(jù)LIBS測(cè)量得到在PFCs的沉積量推演評(píng)估PFCs的腐蝕量是一個(gè)潛在解決問題的方向，但是這需要首先對(duì)沉積量進(jìn)行精確定量，其次與聚變等離子體位形結(jié)合建立詳細(xì)的理論模型，并通過足夠多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來校準(zhǔn)理論模型，才能得到腐蝕量，而當(dāng)前這方面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻非常有限。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種原位實(shí)時(shí)定量診斷聚變裝置面壁部件腐蝕沉積的方法，其能夠定量診斷聚變裝置不用部位PFCs的腐蝕與沉積圖樣，為聚變裝置等離子體與壁相互作用研究、聚變裝置雜質(zhì)源評(píng)估以及PFCs使用壽命評(píng)估提供研究依據(jù)。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種原位實(shí)時(shí)定量診斷聚變裝置面壁部件腐蝕沉積的方法，包括如下步驟：

1)制備等離子體輻照前多層膜PFCs

在PFCs基體A1上制備中間標(biāo)記層A2和頂部標(biāo)記層A3，三層緊密接觸相連；

2)對(duì)等離子體輻照前多層膜PFCs進(jìn)行LIBS光譜采集；