用于穩(wěn)態(tài)托卡馬克裝置等離子體光學(xué)診斷的角錐棱鏡的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于穩(wěn)態(tài)托卡馬克裝置等離子體光學(xué)診斷的角錐棱鏡，包括有基體反射鏡，所述的基體反射鏡的相互垂直的兩個(gè)端面分別通過螺釘一安裝有反射鏡塊，基體反射鏡和兩個(gè)反射鏡塊形成三個(gè)相互垂直的光學(xué)反射面，光學(xué)反射面直接面對(duì)等離子體，所述的基體反射鏡通過螺釘二固定在連接塊上，在基體反射鏡與連接塊之間設(shè)有軟石墨片，在螺釘二與連接塊之間設(shè)有彈簧墊圈，所述的連接塊固定在托卡馬克第一壁上，以固定和冷卻整個(gè)角錐棱鏡。本發(fā)明能承受100?kW/m2的熱負(fù)荷，其光學(xué)反射面的熱變形<1μm，具有高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以抵抗熱應(yīng)力及電磁力，鏡面材料與高溫等離子體有良好的兼容性。
【專利說明】用于穩(wěn)態(tài)托卡馬克裝置等離子體光學(xué)診斷的角錐棱鏡
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光學(xué)診斷元件，尤其涉及一種用于穩(wěn)態(tài)托卡馬克裝置等離子體光學(xué)診斷的角錐棱鏡。
【背景技術(shù)】
[0002]在托卡馬克磁約束核聚變研究中，光學(xué)診斷是目前應(yīng)用最為廣泛的等離子體物理診斷技術(shù)之一。利用激光干涉法測(cè)量等離子體的密度就是典型代表。在早期的托卡馬克中，裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，可以設(shè)置對(duì)稱的上下垂直窗口，激光干涉儀的所有光學(xué)元件都可以布置在真空室外面。在現(xiàn)代托卡馬克裝置中，多采用偏濾器結(jié)構(gòu)以開展先進(jìn)托卡馬克運(yùn)行模式研究，無法開設(shè)對(duì)稱的上下垂直窗口(如ITER裝置)或復(fù)雜的偏濾器結(jié)構(gòu)會(huì)擋住了光線的上下通道，激光干涉系統(tǒng)必須在真空室內(nèi)的第一壁上放置角錐棱鏡，才能將攜帶等離子體特征信息的光束反射并沿原路返回至真空室外的接收裝置，進(jìn)而與參考光束發(fā)生干涉，由此推算等離子體的密度。
[0003]安裝在第一壁上的角錐棱鏡，其光學(xué)反射鏡必須面對(duì)等離子體，以接收入射光束并將光束反射回去，而角錐棱鏡的其他部件可以躲藏在第一壁后面，免受等離子體的直接熱輻射。光學(xué)反射鏡盡管可以采用下沉式設(shè)計(jì)以避免高能粒子的直接轟擊，但是它逃脫不了來自等尚子體的聞熱負(fù)荷作用。熱負(fù)荷值隨著等尚子體運(yùn)行參數(shù)的提聞而提聞，可達(dá)幾十甚至上百kW/m2。熱負(fù)荷作用下,必然在角錐棱鏡內(nèi)形成溫度梯度,從而引起熱應(yīng)力和變形。這點(diǎn)對(duì)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行托卡馬克裝置尤其嚴(yán)重。角錐棱鏡三個(gè)反射面的微觀變形導(dǎo)致的表面傾斜或三個(gè)反射面不再相互垂直，都會(huì)使反射光束和入射光束不再是理想平行，而是存在一個(gè)角度誤差。為了保證激光干涉測(cè)量的精密性，角度誤差一般要小于50弧秒，這要求各反射面的變形量〈I μ m。因此如何合理設(shè)計(jì)角錐棱鏡結(jié)構(gòu)，使其能承受上百kW/m2的熱負(fù)荷，且反射面的變形量〈I μ m,是等離子體激光干涉測(cè)量系統(tǒng)研制中至關(guān)重要的一個(gè)問題。除了熱負(fù)荷外，角錐棱鏡同直接面對(duì)等離子體的第一壁一樣，會(huì)在磁體電流變化、等離子體破裂、垂直位移事件發(fā)生時(shí)，自身結(jié)構(gòu)內(nèi)有感應(yīng)電流的產(chǎn)生，進(jìn)而與環(huán)境磁場(chǎng)作用，產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁力。所以角錐棱鏡必須有合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以降低感應(yīng)電流值，足夠高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以抵抗電磁力和熱應(yīng)力。此外，直接面對(duì)等離子體的光學(xué)反射鏡的材料必須與等離子體具有很好的相容性，以避免反射鏡基材在等離子體熱轟擊下產(chǎn)生粒子作為雜質(zhì)越過第一壁污染等離子體，影響正常等離子體放電過程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的就是為了彌補(bǔ)已有技術(shù)的缺陷，提供一種用于穩(wěn)態(tài)托卡馬克裝置等離子體光學(xué)診斷的角錐棱鏡。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種用于穩(wěn)態(tài)托卡馬克裝置等離子體光學(xué)診斷的角錐棱鏡，包括有基體反射鏡，所述的基體反射鏡的相互垂直的兩個(gè)端面分別通過螺釘一安裝有反射鏡塊，基體反射鏡和兩個(gè)反射鏡塊形成三個(gè)相互垂直的光學(xué)反射面，光學(xué)反射面直接面對(duì)等離子體，所述的基體反射鏡通過螺釘二固定在連接塊上，在基體反射鏡與連接塊之間設(shè)有軟石墨片，在螺釘二與連接塊之間設(shè)有彈簧墊圈，所述的連接塊固定在托卡馬克第一壁上，以固定和冷卻整個(gè)角錐棱鏡。
[0006]所述的螺釘一、螺釘二、基體反射鏡和反射鏡塊均采用鑰合金TZM制造，具有良好的與等離子體的兼容性，高機(jī)械強(qiáng)度和高熱導(dǎo)率，以杜絕因材料不一致引起的連接副內(nèi)的熱膨脹不一致，從而避免高熱應(yīng)力的產(chǎn)生，保證結(jié)構(gòu)可靠性。
[0007]所述的連接塊采用316L不銹鋼制造，以減小等離子體運(yùn)行工況下其結(jié)構(gòu)內(nèi)的感應(yīng)渦流，同時(shí)保證足夠的強(qiáng)度。
[0008]所述的基體反射鏡厚15_ ;反射鏡塊厚5_ ;連接塊厚IOmm,基體反射鏡和兩個(gè)反射鏡塊形成的角錐棱鏡孔穴約為25mm，作用于角錐棱鏡反射面上的來自等離子體輻射熱載荷為 100 kW/m2。。
[0009]所述的基體反射鏡、反射鏡塊和連接塊的尺寸根據(jù)角錐棱鏡的安裝空間及其所承受的來自等離子體的輻射熱載荷確定。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:本發(fā)明能承受100 kff/m2的熱負(fù)荷，其光學(xué)反射面的熱變形〈I μ m，具有高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以抵抗熱應(yīng)力及電磁力，鏡面材料與高溫等離子體有良好的兼容性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為從等離子體側(cè)的觀測(cè)結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖2為從真空室側(cè)的觀測(cè)結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]如圖1、2所示，一種用于穩(wěn)態(tài)托卡馬克裝置等離子體光學(xué)診斷的角錐棱鏡，包括有基體反射鏡I，所述的基體反射鏡I的相互垂直的兩個(gè)端面分別通過螺釘一 2安裝有反射鏡塊3，基體反射鏡I和兩個(gè)反射鏡塊3形成三個(gè)相互垂直的光學(xué)反射面，光學(xué)反射面直接面對(duì)等離子體，所述的基體反射鏡I通過螺釘二 4固定在連接塊5上，在基體反射鏡I與連接塊5之間設(shè)有軟石墨片6，在螺釘二 4與連接塊5之間設(shè)有彈簧墊圈7，所述的連接塊5固定在托卡馬克第一壁上，以固定和冷卻整個(gè)角錐棱鏡。
[0014]所述的螺釘一 2、螺釘二 4、基體反射鏡I和反射鏡塊3均采用鑰合金TZM制造，具有良好的與等離子體的兼容性，高機(jī)械強(qiáng)度和高熱導(dǎo)率，以杜絕因材料不一致引起的連接副內(nèi)的熱膨脹不一致，從而避免高熱應(yīng)力的產(chǎn)生，保證結(jié)構(gòu)可靠性。
[0015]所述的連接塊5采用316L不銹鋼制造，以減小等離子體運(yùn)行工況下其結(jié)構(gòu)內(nèi)的感應(yīng)渦流，同時(shí)保證足夠的強(qiáng)度。
[0016]所述的基體反射鏡I厚15mm ;反射鏡塊3厚5mm ;連接塊5厚IOmm,基體反射鏡I和兩個(gè)反射鏡塊3形成的角錐棱鏡孔穴約為25mm，作用于角錐棱鏡反射面上的來自等離子體輻射熱載荷為100 kff/m200
[0017]所述的基體反射鏡1、反射鏡塊3和連接塊5的尺寸根據(jù)角錐棱鏡的安裝空間及其所承受的來自等離子體的輻射熱載荷確定。
【權(quán)利要求】
1.一種用于穩(wěn)態(tài)托卡馬克裝置等離子體光學(xué)診斷的角錐棱鏡，其特征在于:包括有基體反射鏡，所述的基體反射鏡的相互垂直的兩個(gè)端面分別通過螺釘一安裝有反射鏡塊，基體反射鏡和兩個(gè)反射鏡塊形成三個(gè)相互垂直的光學(xué)反射面，所述的基體反射鏡通過螺釘二固定在連接塊上，在基體反射鏡與連接塊之間設(shè)有軟石墨片，在螺釘二與連接塊之間設(shè)有彈簧墊圈，所述的連接塊固定在托卡馬克第一壁上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于穩(wěn)態(tài)托卡馬克裝置等離子體光學(xué)診斷的角錐棱鏡，其特征在于:所述的螺釘一、螺釘二、基體反射鏡和反射鏡塊均采用鑰合金TZM制造。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于穩(wěn)態(tài)托卡馬克裝置等離子體光學(xué)診斷的角錐棱鏡，其特征在于:所述的連接塊采用316L不銹鋼制造。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于穩(wěn)態(tài)托卡馬克裝置等離子體光學(xué)診斷的角錐棱鏡，其特征在于:所述的基體反射鏡厚15mm ;反射鏡塊厚5mm ;連接塊厚10mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于穩(wěn)態(tài)托卡馬克裝置等離子體光學(xué)診斷的角錐棱鏡，其特征在于:所述的基體反射鏡、反射鏡塊和連接塊的尺寸根據(jù)角錐棱鏡的安裝空間及其所承受的來自等離子體的輻射熱載荷確定。
【文檔編號(hào)】G01T1/29GK103543511SQ201310486271
【公開日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月16日
【發(fā)明者】彭學(xué)兵, 宋云濤 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所