基于偏振技术的托卡马克装置第一壁温度测量方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115165121A(43)申请公布日2022.10.11(21)申请号202210801129.7(22)申请日2022.07.08(71)申请人合肥工业大学地址230000安徽省合肥市屯溪路193号(72)发明人舒双宝吴天祺王继尧杨子强梁华俊(74)专利代理机构合肥中博知信知识产权代理有限公司34142专利代理师管秋香(51)Int.Cl.G01J5/53(2022.01)G01J5/59(2022.01)权利要求书3页说明书9页附图3页(54)发明名称基于偏振技术的托卡马克装置第一壁温度测量方法(57)摘要本发明公开了一种基于偏振技术的托卡马克装置第一壁温度测量方法，涉及红外测温及磁约束核聚变技术领域，本发明首先拟合得到黑体炉发射出的辐射和红外相机接收到的辐射的线性关系，辐射通过红外全息线栅偏振器会有一定的衰减且会受到外界噪声因素的影响；然后采用幂律拟合模型对温度和偏振发射率进行拟合得到关系式；最后通过公式推导出第一壁温度的计算值，并对计算出的温度值和使用热电偶直接测量的温度值进行了对比。本发明的方法在托卡马克装置运行的环境中进行标定和测量，更加具有可靠性。CN115165121ACN115165121A权利要求书1/3页1.基于偏振技术的托卡马克装置第一壁温度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)使用黑体炉在不同的温度下对红外全息线栅偏振器和红外相机进行标定，测量红外相机接收到被测对象发射出的辐射强度，拟合出被测对象发射出的辐射强度和红外相机接收到的辐射强度之间的关系式；(2)在托卡马克装置烘烤状态下使用红外全息线栅偏振器和红外相机对第一壁进行测量，拟合出第一壁的温度和发射率之间的关系式；(3)在托卡马克装置放电过程中利用红外相机测得图像的灰度值，计算出此时第一壁的真实温度。2.根据权利要求1所述的基于偏振技术的托卡马克装置第一壁温度测量方法，其特征在于，所述步骤(1)中包括以下步骤：(a)将红外全息线栅偏振器和红外相机放置在同一水平高度，使得红外相机的镜头和偏振片平行；托卡马克装置内部发射出的辐射通过ZnSe窗口后被红外全息线栅偏振器转换为偏振状态，最终被红外相机接收；将黑体炉放入到托卡马克装置真空室的内部，通过红外全息线栅偏振器和红外相机对黑体炉在不同温度下进行测量时有如下方程：Ecamera＝kp×Eblack(1)Ecamera＝kp×Eblack+Ns(2)其中，式(1)为理想状态下黑体炉发射出的辐射强度和红外相机接收的辐射强度之间的关系，kp表示辐射在传输过程中的透过率，辐射在经过黑体炉发射到红外相机接收的过程中会有部分的衰减，剩下的辐射才能被红外相机接收；Ecamera表示红外相机接收到的辐射强度，Eblack表示黑体炉发射出的辐射强度；式(2)为实际状态下黑体炉发射出的辐射强度和红外相机接收到的辐射强度之间的关系，Ns表示噪声因素；Eblack和Ecamera代表在波长λ1到λ2的范围内，温度为T时的辐射度，可以根据普朗克辐射定律来表示：‑162‑2其中，c1＝3.7419×10W·m，代表第一辐射常数；c2＝1.4388×10m·K，代表第二辐射常数；(b)将黑体炉温度依次从低到高加热，总共包括了n个不同的温度点，即T1、T2、…Tn，通过这n个温度点可以计算出对应的黑体炉辐射强度Eb1、Eb2、…Ebn；根据红外相机测量的图片灰度值计算出红外相机接收到的辐射强度Ec1、Ec2、…Ecn，对黑体炉辐射和红外相机接收到的辐射做线性拟合；将Eb作为x轴，Ec作为y轴，列出一组数据(xi,yi)，i＝0，1，…n‑1，拟合直线p(x)＝a+bx，其中a代表噪声因素Ns，b代表透过率kp，那么均方误差为：根据微积分理论，Q(a,b)的极小值要满足：2CN115165121A权利要求书2/3页将它们整理为矩阵的形式：用消元法或者克莱姆方法解出方程：将a和b分别带入到拟合直线中就可以得到黑体炉辐射和红外相机接收到的辐射之间的线性关系。3.根据权利要求1所述的基于偏振技术的托卡马克装置第一壁温度测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中包括以下步骤：(c)在托卡马克装置烘烤状态下测量第一壁的发射率，待测目标由黑体炉变为托卡马克装置第一壁，使用红外全息线栅偏振器和红外相机对烘烤状态下的托卡马克装置第一壁进行测量时有：Ep(θ)＝kp×Efir(T1,λ)+Ns(10)其中，θ表示红外相机和第一壁表面法向之间的角度，Ep(θ)表示偏振方向为P方向，样片偏转角度为θ时红外相机接收到的辐射强度；Efir(T1,λ)表示加热的温度为T1，波长为λ时的第一壁的辐射强度；T1表示通过红外相机测得的托卡马克装置第一壁的温度；(d)式(10)中Efir(T1,λ)是待测