一种原位实时定量诊断聚变装置面壁部件腐蚀沉积的方法制造方法及图纸

本发明专利技术聚变装置等离子体测量技术，具体为一种原位实时定量诊断聚变装置面壁部件腐蚀沉积的方法。首先制备等离子体辐照前多层膜PFCs，之后采集LIBS光谱，确定LIBS激光脉冲数和标记层的绝对厚度，多层膜PFCs经过辐照后，再次采集其LIBS光谱，确定LIBS激光脉冲数和标记层绝对厚度，得出辐照前后的标记层绝对厚度变化，积分求解得出PFCs腐蚀与沉积的绝对质量。本方法深度分辨测量聚变等离子体辐照前后多层膜偏滤器面壁部件的厚度变化，绝对定量诊断出PFCs的腐蚀与沉积量，从而实现对PFCs腐蚀与沉积的原位、实时诊断监测。

A method for in situ real time quantitative diagnosis of corrosion deposition on the surface of fusion device

【技术实现步骤摘要】
一种原位实时定量诊断聚变装置面壁部件腐蚀沉积的方法
本专利技术属于聚变装置等离子体测量技术，具体涉及一种聚变装置面壁部件PFCs的腐蚀与沉积原位、实时诊断方法。
技术介绍
在聚变装置运行中，等离子体面壁部件(PlasmaFacingComponents,PFCs)不断受到来自等离子体的各种粒子的轰击、高热负荷沉积、瞬态高能量冲击、以及电磁辐射和电磁力等的复杂作用，这不仅会造成材料的辐照效应和损伤，导致缺陷的产生、迁移和聚集，引起表面和基体的变坏，还会发生背散射、解吸、物理溅射、化学腐蚀、结构损伤等复杂现象。特别是对于聚变装置偏滤器区域PFCs，进入边界层的聚变等离子体形成强烈的粒子流及热流沿着开放的磁力线射向偏滤器靶板并与之产生强烈腐蚀与沉积等相互作用过程，严重改变PFCs性能并影响其使用寿命，对聚变装置运行产生负面影响。此外，在聚变装置运行中，部分被腐蚀的PFCs材料会成为杂质和灰尘经输运电离后迁移至聚变主等离子体，造成辐射损失，致使等离子体密度和温度显著下降，约束品质变坏，对聚变等离子体的高参数运行产生极大地负面影响；另一方面部分被腐蚀材料与燃料粒子结合沉积致等离子体面壁部件，发生杂质沉积、燃料滞留等诸多问题，致使PFCs表面基体变坏，影响聚变等离子体高参数、稳态运行。综上，聚变装置PFCs的腐蚀与沉积直接制约了聚变装置的运行寿命与运行成分，且关乎聚变等离子体高参数、稳态运行，是聚变领域要解决的重要问题之一。因此，急需发展一种可原位、实时诊断评估聚变装置PFCs的腐蚀与沉积的方法。激光诱导击穿光谱(Laser-inducedbreakdownspectroscopy，LIBS)因其具有可以实时全元素分析、纯光学元件连接等优点，已被广泛用在矿业、农业、分析化学、工业冶金在线检测以及聚变装置第一壁诊断等多个领域。LIBS工作原理为一束高能脉冲激光烧蚀样品，极度预热电离被分析区域一小块体积，在受辐照区域上方产生瞬态激光等离子体，在等离子体冷却的过程中，会向外发射包含元素信息的特征光谱，通过收集并分析这些特征光谱，便可以得到样品中的元素成分信息。现阶段LIBS技术已被用来诊断PFCs表面元素成分信息，但却鲜见使用LIBS技术诊断面壁部件的材料腐蚀与沉积量的报道。一方面由于当前原位LIBS定量分析精准度差，未能达到聚变装置对壁诊断的要求，几乎所有LIBS诊断PFCs均为定性或半定量分析。另一方面LIBS诊断原理为通过深度分布来确定是否沉积以及沉积层的厚度，但对于净腐蚀区其表层元素与基体材料元素相同，难以确定是否发生腐蚀以及腐蚀深度。虽然，依据LIBS测量得到在PFCs的沉积量推演评估PFCs的腐蚀量是一个潜在解决问题的方向，但是这需要首先对沉积量进行精确定量，其次与聚变等离子体位形结合建立详细的理论模型，并通过足够多的实验数据来校准理论模型，才能得到腐蚀量，而当前这方面的实验结果却非常有限。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种原位实时定量诊断聚变装置面壁部件腐蚀沉积的方法，其能够定量诊断聚变装置不用部位PFCs的腐蚀与沉积图样，为聚变装置等离子体与壁相互作用研究、聚变装置杂质源评估以及PFCs使用寿命评估提供研究依据。本专利技术的技术方案如下：一种原位实时定量诊断聚变装置面壁部件腐蚀沉积的方法，包括如下步骤：1)制备等离子体辐照前多层膜PFCs在PFCs基体A1上制备中间标记层A2和顶部标记层A3，三层紧密接触相连；2)对等离子体辐照前多层膜PFCs进行LIBS光谱采集；采用激光脉冲不断对多层膜PFCs进行烧蚀，同时采集其LIBS光谱；3)确定基体A1、中间标记层A2和顶部标记层A3的LIBS激光脉冲数；4)确定中间标记层A2和顶部标记层A3的绝对层厚度；5)建立辐照前不同区域PFCs中间标记层A2和顶部标记层A3的绝对层厚度数据库；6)将多层膜PFCs放置于聚变等离子体装置，经受等离子体辐照；7)对辐照后的多层膜PFCs进行诊断，采集其LIBS光谱；8)确定辐照后的多层膜PFCs的基体层A1、中间标记层A2和顶部标记层A3的LIBS激光脉冲数；9)确定辐照后中间标记层A2和顶部标记层A3的绝对层厚度；10)建立辐照后不同区域PFCs的中间标记层A2和顶部标记层A3的绝对厚度数据库；11)利用辐照后不同区域PFCs的中间标记层A2和顶部标记层A3的绝对厚度分别减去步骤5)中辐照前的结果，确定不同区域PFCs在等离子体辐照后中间标记层A2，顶部标记层A3的绝对厚度变化，即得到不同区域PFCs等离子体腐蚀与沉积厚度绝对曲线；12)沿着等离子体腐蚀与沉积厚度绝对曲线积分求解，得到腐蚀与沉积体积，通过中间标记层A2，顶部标记层A3对应材料的质量密度，确定聚变装置PFCs腐蚀与沉积的绝对质量。所述的步骤1)中，基体A1材料与聚变装置主体面壁材料相同，顶部标记层A3的材料与基体A1的材料完全相同，中间标记层A2材料与A1和A3不同。所述的中间标记层A2和顶部标记层A3采用磁控溅射沉积镀膜或等离子体喷涂镀膜的方法依次形成。所述的步骤2)中，对多层膜PFCs进行诊断，采用激光脉冲不断对多层膜PFCs进行烧蚀，同时采集其LIBS光谱。所述的步骤2)中，采用激光烧蚀的判断标准为：激光发射一直持续到能够观察到PFCs基体A1材料的LIBS光谱，同时PFCs基体A1的LIBS光谱稳定性优于10％后，停止激光烧蚀；这一过程中激光发射的脉冲个数记作Ntotal，同时也采集到Ntotal个LIBS光谱，分别记作x1，x2，.......,所述的步骤3)具体为：C1.确定基体A1，中间标记层A2和顶部标记层A3的代表性LIBS光谱，分别记作yA1，yA2，yA3；代表性光谱的确定标准为：根据2)中得到所有LIBS光谱，找到基体A1、中间标记层A2和顶部标记层A3分别对应的光谱特征线发射强度最大的LIBS光谱作为对应的代表性光谱；C2.确定代表性光谱与采集到光谱的相关系数矩阵基体A1代表性光谱yA1与采集到第一个LIBS光谱x1之间的相关系数r1，A1由式(1)计算：其中，λ为LIBS光谱的波长，xλ，1为第一个LIBS光谱的数据，为第一个LIBS光谱数据的平均值，yλ，A1是基体A1的LIBS光谱数据，是基体A1的LIBS光谱据的平均值；从激光发射过程的第一个LIBS光谱一直到第Ntotal个LIBS光谱，利用公式(1)替换LIBS光谱数据，不断地重复计算对应的相关系数，即可计算得到代表性光谱yA1，yA2，yA3与采集到所有LIBS光谱的相关系数矩阵，分别记作rA1，rA2，rA3；C3.判断基体A1、中间标记层A2和顶部标记层A3的激光脉冲数；以脉冲数为横坐标，rA1，rA2，rA3为纵坐标做折线图，rA2与rA3折线图交点对应的横坐标即为顶部标记层A3对应的激光脉冲数，记作NA3；rA2与rA1折线图交点对应的横坐标即为顶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种原位实时定量诊断聚变装置面壁部件腐蚀沉积的方法，其特征在于，包括如下步骤：/n1)制备等离子体辐照前多层膜PFCs/n在PFCs基体A1上制备中间标记层A2和顶部标记层A3，三层紧密接触相连；/n2)对等离子体辐照前多层膜PFCs进行LIBS光谱采集；/n采用激光脉冲不断对多层膜PFCs进行烧蚀，同时采集其LIBS光谱；/n3)确定基体A1、中间标记层A2和顶部标记层A3的LIBS激光脉冲数；/n4)确定中间标记层A2和顶部标记层A3的绝对层厚度；/n5)建立辐照前不同区域PFCs中间标记层A2和顶部标记层A3的绝对层厚度数据库；/n6)将多层膜PFCs放置于聚变等离子体装置，经受等离子体辐照；/n7)对辐照后的多层膜PFCs进行诊断，采集其LIBS光谱；/n8)确定辐照后的多层膜PFCs的基体层A1、中间标记层A2和顶部标记层A3的LIBS激光脉冲数；/n9)确定辐照后中间标记层A2和顶部标记层A3的绝对层厚度；/n10)建立辐照后不同区域PFCs的中间标记层A2和顶部标记层A3的绝对厚度数据库；/n11)利用辐照后不同区域PFCs的中间标记层A2和顶部标记层A3的绝对厚度分别减去步骤5)中辐照前的结果，确定不同区域PFCs在等离子体辐照后中间标记层A2，顶部标记层A3的绝对厚度变化，即得到不同区域PFCs等离子体腐蚀与沉积厚度绝对曲线；/n12)沿着等离子体腐蚀与沉积厚度绝对曲线积分求解，得到腐蚀与沉积体积，通过中间标记层A2，顶部标记层A3对应材料的质量密度，确定聚变装置PFCs腐蚀与沉积的绝对质量。/n...

【技术特征摘要】
1.一种原位实时定量诊断聚变装置面壁部件腐蚀沉积的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)制备等离子体辐照前多层膜PFCs
在PFCs基体A1上制备中间标记层A2和顶部标记层A3，三层紧密接触相连；
2)对等离子体辐照前多层膜PFCs进行LIBS光谱采集；
采用激光脉冲不断对多层膜PFCs进行烧蚀，同时采集其LIBS光谱；
3)确定基体A1、中间标记层A2和顶部标记层A3的LIBS激光脉冲数；
4)确定中间标记层A2和顶部标记层A3的绝对层厚度；
5)建立辐照前不同区域PFCs中间标记层A2和顶部标记层A3的绝对层厚度数据库；
6)将多层膜PFCs放置于聚变等离子体装置，经受等离子体辐照；
7)对辐照后的多层膜PFCs进行诊断，采集其LIBS光谱；
8)确定辐照后的多层膜PFCs的基体层A1、中间标记层A2和顶部标记层A3的LIBS激光脉冲数；
9)确定辐照后中间标记层A2和顶部标记层A3的绝对层厚度；
10)建立辐照后不同区域PFCs的中间标记层A2和顶部标记层A3的绝对厚度数据库；
11)利用辐照后不同区域PFCs的中间标记层A2和顶部标记层A3的绝对厚度分别减去步骤5)中辐照前的结果，确定不同区域PFCs在等离子体辐照后中间标记层A2，顶部标记层A3的绝对厚度变化，即得到不同区域PFCs等离子体腐蚀与沉积厚度绝对曲线；
12)沿着等离子体腐蚀与沉积厚度绝对曲线积分求解，得到腐蚀与沉积体积，通过中间标记层A2，顶部标记层A3对应材料的质量密度，确定聚变装置PFCs腐蚀与沉积的绝对质量。


2.如权利要求1所述的一种原位实时定量诊断聚变装置面壁部件腐蚀沉积的方法，其特征在于：
所述的步骤1)中，基体A1材料与聚变装置主体面壁材料相同，顶部标记层A3的材料与基体A1的材料完全相同，中间标记层A2材料与A1和A3不同。


3.如权利要求2述的一种原位实时定量诊断聚变装置面壁部件腐蚀沉积的方法，其特征在于：所述的中间标记层A2和顶部标记层A3采用磁控溅射沉积镀膜或等离子体喷涂镀膜的方法依次形成。


4.如权利要求2述的一种原位实时定量诊断聚变装置面壁部件腐蚀沉积的方法，其特征在于：所述的步骤2)中，对多层膜PFCs进行诊断，采用激光脉冲不断对多层膜PFCs进行烧蚀，同时采集其LIBS光谱。


5.如权利要求4述的一种原位实时定量诊断聚变装置面壁部件腐蚀沉积的方法，其特征在于，所述的步骤2)中，采用激光烧蚀的判断标准为：激光发射一直持续到能够观察到PFCs基体A1材料的LIBS光谱，同时PFCs基体A1的LIBS光谱稳定性优于10％后，停止激光烧蚀；这一过程中激光发射的脉冲个数记作Ntotal，同时也采集到Ntotal个LIBS光谱，分别记作


6.如权利要求4述的一种原位实时定量诊断聚变装置面壁部件腐蚀沉积的方法，其特征在于，所述的步骤3)具体为：
C1.确定基体A1，中间标记层A2和顶部标记层A3的代表性LIBS光谱，分别记作yA1，yA2，yA3；
代表性光谱的确定标准为：根据2)中得到所有LIBS光谱，找到基体A1、中间标记层A2和顶部标记层A3分别对应的光谱特征线发射强度最大的LIBS光谱作为对应的代表性光谱；
C2.确定代表性光谱与采集到光谱的相关系数矩阵
基体A1代表性光谱yA1与采集到第一个LIBS光谱x1之间的相关系数r1，A1由式(1)计算：



其中，λ为LIBS光谱的波长，xλ，1为第一个LIBS光谱的数据，为第一个LIBS光谱数据的平均值，yλ，A1是基体A1的LIBS光谱数据，是基体A1的LIBS光谱据的平均值；
从激光发射过程的第一个LIBS光谱一直到第Ntotal个LIBS光谱，...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵栋烨，才来中，胡万鹏，黄向玫，王亚磊，曾晓晓，马会聪，
申请(专利权)人：核工业西南物理研究院，
类型：发明
国别省市：四川;51