模拟托卡马克白光及振动环境下的激光散斑干涉初步研究

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核聚变是目前最有可能解决人类能源问题的一种手段。托卡马克装置是最有可能实现受控核聚变的装置。在托卡马克装置运行过程中,面向等离子体的部件(Plasma Faceing Components,PFCs)材料会承受来自芯部的等离子体高能粒子流和热流的轰击,即等离子体与壁相互作用(Plasma-Wall Interaction,PWI),PWI使得PFCs的表面形貌发生变化。在托卡马克装置高参数、长脉冲运行过程中,侵蚀与共沉积现象会愈加严重,甚至会影响聚变装置的平稳运行。因此,实现对PFCs材料表面形貌的实时监测十分必要。激光散斑干涉被认为是现阶段最有可能实现对PFCs材料表面形貌进行实时、非接触测量的手段。在散斑干涉测量中为了提取包含在光强中的相位信息,我们在测量过程中引入了时间相移技术。考虑到装置实际测量环境中来自托卡马克装置等离子体背景光以及装置上的振动环境干扰等影响不可忽略,而这些因素都会对散斑测量系统造成不同程度的影响,从而导致测量精度的降低甚至失败,因此我们在实验室对背景光以及振动环境干扰对散斑形貌测量的影响进行探究。具体的研究内容如下:(1)实验中,采用激光烧蚀和脉冲激光沉积方法模拟了托卡马克中PFCs表面的烧蚀和沉积过程。利用气体放电灯发出的连续白光模拟托卡马克中的等离子体背景光。利用迈克尔逊散斑干涉仪测量了不同样品在不同白光环境下烧蚀和沉积的形貌变化。将散斑干涉测量的结果与白光干涉仪和轮廓仪的结果进行了比较,分析了背景白光干涉对散斑干涉测量的影响。(2)参考托卡马克实际在线测量距离,搭建了远场激光散斑干涉测量系统,将待测样品固定在非隔振动的平台上,用实验室的地基振动(主要来自于机械泵)环境来模拟聚变装置上的振动环境。同时用不同相位提取算法对采集到的散斑干涉图进行相位提取,并将重构结果进行比对,从而考察不同相位提取算法的抗环境振动干扰能力。(3)在远场振动环境下,设置不同的CCD曝光时间对平面镜样品的散斑测量干涉条纹进行采样,探究不同采样时间对条纹对比度的影响,并进行了理论分析。
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