申请/专利权人：合肥工业大学

申请日：2022-07-08

公开（公告）日：2024-06-21

公开（公告）号：CN115165121B

主分类号：G01J5/53

分类号：G01J5/53;G01J5/59

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.21#授权;2022.10.28#实质审查的生效;2022.10.11#公开

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。

主权项：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；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×Eblack1Ecamera＝kp×Eblack+Ns2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： 其中，c1＝3.7419×10-16W·m2，代表第一辐射常数；c2＝1.4388×10-2m·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px＝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，Qa,b的极小值要满足： 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；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：Epθ＝kp×EfirT1,λ+Ns10其中，θ表示红外相机和第一壁表面法向之间的角度，Epθ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；EfirT1,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EfirT1,λ是待测的第一壁的发射出的辐射和干扰辐射的总和，具体包括了以下两个部分：1托卡马克装置第一壁发射出并且通过ZnSe窗口和偏振方向为P方向的偏振片最终被红外相机接收到的辐射；2托卡马克装置内壁发射出的辐射经过第一壁表面反射之后再通过ZnSe窗口和偏振方向为P方向的偏振片最终被红外相机接收到的辐射；两种不同的辐射通过下面的计算公式表示：1托卡马克装置第一壁发射出并且通过ZnSe窗口和偏振方向为P方向的偏振片最终被红外相机接收到的辐射E1：E1＝εpθ×ETfirst,λ11其中，εpθ表示红外相机和第一壁表面法向之间的角度为θ，偏振片的偏振方向为P方向的时候第一壁的发射率；ETfirst,λ表示温度为Tfirst，波长为λ时的辐射强度；Tfirst表示通过热电偶测量得到的第一壁表面的温度；2托卡马克装置内壁发射出的辐射经过第一壁表面反射之后再通过ZnSe窗口和偏振方向为P方向的偏振片最终被红外相机接收到的辐射E2：E2＝εb×[1-εpθ]×ETb,λ12其中，εb表示托卡马克装置内壁的发射率，它的值趋近于1；ETb,λ表示温度为Tb，波长为λ时的辐射强度；Tb表示托卡马克装置内壁的温度；e综合式11和式12，第一壁发射出的总的辐射强度为：EfirT1,λ＝εpθ×ETfirst,λ+[1-εpθ]×ETb,λ13其中，ETfirst,λ、ETb,λ通过式3计算出来，将式13带入到式10中可以变换得到红外相机和第一壁表面法向夹角为θ时的P偏振方向发射率的表达式： 同理，将偏振片旋转90°就可以测量得到S偏振方向的发射率： f调节托卡马克装置的烘烤温度，依次设置为T1、T2、…Tn，在每一个烘烤点测量一次第一壁的发射率，整个过程在n个烘烤温度下测量托卡马克装置第一壁的发射率；g使用红外全息线栅偏振器和红外相机测量并计算出第一壁在不同温度下的偏振发射率之后，使用幂律公式来拟合偏转角度为θ时托卡马克装置第一壁偏振发射率和温度之间的关系：ε＝aTb16。

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