红外测温诊断原理及其在核聚变装置 托卡马克中的应用
托卡马克的点火原理
托卡马克的点火原理托卡马克是一种核聚变装置，被广泛应用于研究和开发可控核聚变技术。
其点火原理是通过引入高能粒子和能量来启动聚变反应链，并维持反应过程。
下面将详细介绍托卡马克的点火原理。
首先，我们需要了解聚变反应的基本原理。
核聚变是一种核反应过程，其中两个轻核聚合成更重的核，并释放出巨大的能量。
聚变反应的理论基础是热核聚变，即将氢同位素（氘和氚）聚变成氦，并释放出能量。
在托卡马克中，点火过程可以分为两个阶段：预点火和自持燃烧。
预点火阶段是通过向等离子体注入能源来启动聚变反应。
常见的能源包括等离子体加热和磁场压缩。
等离子体加热可以通过射频波、中性粒子束或激光束等方式实现，这些能量源将高能粒子（如中性粒子、电子或离子束）加速到等离子体中，并向等离子体传递能量。
这样一来，等离子体的温度和密度就会增加。
磁场压缩是另一种常见的预点火方法。
托卡马克的核部由一个强大而复杂的螺线管磁场包围，该磁场可以将等离子体压缩为高温高密度的状态。
磁场压缩可以使用强脉冲电流通过螺线管产生的高磁场来实现。
随着能量输入和等离子体的加热，预点火阶段的目标是达到所需的温度和等离子体密度，使聚变反应开始。
在这个阶段，等离子体中存在稳定的离子和电子，并形成聚变反应所需的条件。
一旦预点火阶段的条件达到，自持燃烧就会开始。
在这个阶段，聚变反应会以自维持的方式进行，即反应释放的能量足以维持等离子体的温度和密度。
这是一个关键的阶段，因为它决定了托卡马克是否可以实现可控聚变反应。
自持燃烧的关键是确保聚变反应释放的能量足以抵消能量损失，并保持等离子体的高温高密度状态。
这可以通过控制等离子体的温度、密度和燃烧时长来实现。
此外，托卡马克使用反馈控制系统来监测和调节等离子体的性质，以维持聚变反应的自持状态。
总结起来，托卡马克的点火原理通过预点火和自持燃烧两个阶段来实现。
预点火阶段通过能量输入和磁场压缩来达到所需的温度和等离子体密度，使聚变反应开始。
自持燃烧阶段则依靠聚变反应释放的能量维持高温高密度的等离子体状态。
托卡马克原理
托卡马克原理
托卡马克是一种目前广泛研究的聚变反应装置，通过磁约束技术将高温等离子体束缚在装置中心。
它的原理是利用强大的磁场和等离子体运动的相互作用来维持反应过程。
托卡马克的核心部分是磁体系统，由一组环形线圈组成，产生强大且复杂的磁场。
这个磁场称为托卡马克磁场，可以将等离子体束缚在装置的中心区域。
等离子体中的带电粒子受磁场力的作用而沿磁场线运动，形成环状的轨道，从而保持在装置中心。
为了维持等离子体的高温状态，通常需要用射频加热等方法提供能量。
通过向等离子体输入能量，可以使粒子的运动变得更加激烈，进而增加粒子间的相互碰撞机会。
在高速碰撞过程中，带电粒子可能会发生聚变反应，释放出更多的能量。
此外，托卡马克还需要一个火花放电器来启动反应。
通过在装置中创造一个电弧放电，可以产生足够的能量和热量，使等离子体开始加热并产生聚变反应。
一旦反应启动，磁场和加热系统将负责维持等离子体的高温状态，使聚变反应持续进行。
尽管托卡马克有许多优势，如需要的燃料资源较为充分且聚变产物安全无害等，但目前仍然存在许多技术和工程问题需要解决。
例如，磁约束系统的复杂性、等离子体的稳定性和高温下材料的耐受能力等方面都需要进一步研究和改进。
然而，托卡马克作为一种可能实现可控核聚变的装置，仍然受到广泛的关注和研究。
托卡马克装置原理1
Bt=6 tesla, Tmax=3.6keV
加热方式
ECRF ICRF LHRF NBI + NBI -
2021/10/10
频率（能量） 28-170 GHz 25-120 MHz 1.3-8 GHz 80-140 keV
350 keV
功率 2.8 MW 22 MW 25 MW 40 MW 5 MW
R2NI L N
I
等离子体区的零场条件： 需要配置外线圈
变压器的伏秒数：
t
Vdt (t)(0)
0
反向磁化
2021/10/10
11
铁芯变压器
初级和次 级方程
Vi
Li
dIi dt
Mip
dIp dt
0
RpI p
Lp
dIp dt
Mip
dIi dt
Vi M ipddpItL M iL ip pddpItM LiipRpIp
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25
等离子体参数
欧姆加热
输运
电流轮廓
因果关系构成闭环，是一种自组织性
2021/10/10
3
托卡马克的缺点
欧姆加热的弱点：η∝Ｔ－３／２，温度增加 是加热效率降低．不能达到点火要求．必须 借助于辅助加热
脉冲运行：欧姆变压器必然是脉冲运行 的．稳态运行需要非感应电流驱动．
聚变中子辐射造成的材料问题
2021/10/10
概述
托卡马克工程
托卡马克原理 2021/10/10
1
1,概述 托卡马克装置
环向等离子体电流产生极向磁场实现旋转变换，消除 磁场不均匀造成的漂移和粒子损失
电流和磁场： 平行和反平行
五、托卡马克中的重要问题(磁约束、平衡、加热、第一壁之外)
五、托卡马克中的其他重要问题（磁约束、平衡、加热、第一壁之外）1.托卡马克物理发展的重要点19世纪30年代英国的M.法拉第以及其后的J.J.汤姆孙、J.S.E.汤森德等人相继研究气体放电现象，这实际上是等离子体实验研究的起步时期。
1879年英国的W.克鲁克斯采用“物质第四态”这个名词来描述气体放电管中的电离气体。
美国的I.朗缪尔在1928年首先引入等离子体这个名词，等离子体物理学才正式问世。
1929年美国的L.汤克斯和朗缪尔指出了等离子体中电子密度的疏密波（即朗缪尔波）。
对空间等离子体的探索，也在20世纪初开始。
1902年英国的亥维赛（发现地球上电离离层的中层，E层,被称为亥维赛层）等为了解释无线电波可以远距离传播的现象，推测地球上空存在着能反射电磁波的电离层。
这个假说为英国的E.V.阿普顿用实验证实。
英国的D.R.哈特里(1931)和阿普顿(1932)提出了电离层的折射率公式，并得到磁化等离子体的色散方程。
――――以下与托卡马克密切相关（在高温等离子体书中有对应内容）――――从20世纪30年代起，磁流体力学等离子体的速度分布函数服从福克－普朗克方程。
1936年给出方程中1938年苏联的A.A.方程，即弃去碰撞项的无碰撞方程。
朗道碰撞积分和符拉索夫方程的提出，标志着动力论的发端。
1942年瑞典的H.阿尔文指出，当理想导电流体处在磁场中，会产生沿磁力线传播的横波(即阿尔文波)。
印度的S.钱德拉塞卡在1942年提出用试探粒子模型来研究弛豫过程。
1946年朗道证明当朗缪尔波传播时，共振电子会吸收波的能量造成波衰减，这称为朗道阻尼。
朗道的这个理论，开创了等离子体中波和粒子相互作用和微观不稳定性这些新的研究领域。
从1935年延续至1952年，苏联的H.H.博戈留博夫、英国的刘维定理出发，得到了不封闭的方程组系列，名为BBGKY链索夫方程等,这给等离子体动力论奠定了理论基础。
1950年以后，因为英、美、苏等国开始大力研究受控热核反应，促使等离子体物理蓬勃发展。
OTP-538红外测温系统
2. 红外温度传感器opt-538u
• • • • • 热电堆传感器，具116种热电偶元素 红外线入射角<30度 响应时间16ms（典型值），最大输出电压5mV 滤光片中心波长5-14um（透过率>50%） TO-46 封装
• 据称精度达0.1 。
温度与电压曲线图：
3. 系统总体框图
单片机最小系统包括电源、晶振、复位；而且 A/D是内嵌在单片机里的。
4 M ( T ) T (二) 斯忒潘-玻耳兹曼定律 T 0 M 0 (T ) （三）普朗克定律 L (T )
（四）维恩位移定律 mT 2897增加；
总辐射能量增加；
峰值波长减小。
每一条曲线下的面积 表示该温度下物体辐 射能量的总和，与温 度的四次方成正比。
LCD显示 红外温度传感器
单片机 最小系统
放大、滤波 A/D
4. 信号的获取与放大 参考电路
5. ADC与MCU
• 英飞凌的XC866单片机，是一款小巧而强大的8 位单片机，集成了丰富的片上资源。P2口可作8 通道10位ADC输入， 方便数据采集。
• 采用TL431作为 基准电压芯片
数据处理与显示
人体红外测温系统
jaro 西电 生医 2013年
概要
1. 红外测温原理； 2. 红外温度传感器opt-538u介绍；
3. 系统总体框图
4. 信号获取与放大
5.ADC与MCU
6.数据处理与显示
1. 红外测温原理 ----热辐射基本定律
0 f ( T ) ＝ M (一) 基尔霍夫定律 (T )或 (T )＝ (T )
• 根据V-T数据表格，采用分段函数 • LCD1602，显示灵活而丰富
红外测温工作原理PPT012
测温范围/响应波长 距离系数（测量距离与目标大小） 发射率设定 测量精度/重复性 响应时间 瞄准方式（激光、透镜、视频、目视、瞄准灯/镜） 现场环境要求/输出方式
红外测温仪工作原理
窗口和光学系统
目标
环境
探测器
显示及输出
453
SP1 470
EMS ?85
红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，红外能量聚集在光电探测器上并转变为相应的电信号，该信号再经换算转变为被测目标的温度值。
双色测温仪
测量视场部分被遮挡 烟雾，水汽，灰尘 不洁窗口 目标比较小,小于测量红外测温仪的视场 运动目标,尤其是快速运动的物体 目标发射率低或变化
何温仪解决的问题
不洁镜头
不洁窗口
部分视场被遮挡
小于视场的目标
输出选择
热偶输出 电流输出 0 - 20 mA 4 - 20 mA 电压输出 0 - 5 伏 标准1 mV /度 RS232/RS485输出
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
1500°C
1000°C
542°C
260°C
20°C
不同温度的辐射曲线永不会相交 随温度增加，辐射能量增大而峰值波长减小 波长与温度成反比
红外能量（温度/热像）
波长（微米）
102
101
1
10-1
10-2
10-3
10-4
0
物体发射率
背景能量的影响
当背景温度高于目标温度时应进行背景温度补偿(T-Ambient)
热红外遥感的原理及应用
热红外遥感的原理及应用1. 热红外遥感的原理热红外遥感是一种利用物体自身辐射的红外辐射进行探测和观测的技术。
其原理基于热物理学中的黑体辐射定律和斯特藩－玻尔兹曼定律，即物体的温度决定了其辐射的能量和频率分布。
根据这一原理，热红外遥感通过测量地面目标的红外辐射能量，可以获取目标的温度信息以及其他相关的热学参数。
2. 热红外遥感的应用热红外遥感技术在许多领域得到广泛应用，以下列举一些主要应用领域：2.1 军事和安全领域热红外遥感技术在军事和安全领域发挥着重要作用。
通过热红外遥感技术，可以对潜在目标进行侦查和监测，如军事目标、地下设施和边界监控等。
此外，热红外遥感还可用于火灾和爆炸等事故的监测和警报。
2.2 环境监测和资源调查热红外遥感技术在环境监测和资源调查方面具有广泛应用。
通过测量地表温度和地表辐射，可以监测土地利用、植被生长和生态系统变化等。
此外，热红外遥感还可以用于水资源调查、矿产资源勘探和气候变化观测等方面。
2.3 建筑和城市规划热红外遥感技术在建筑和城市规划方面也有广泛的应用。
通过测量建筑物和城市地区的热态，可以分析建筑物的热效应和能耗，进而优化建筑设计和能源利用。
此外，热红外遥感还可以用于城市热岛效应研究、城市规划和交通管理等方面。
3. 热红外遥感的优势和挑战虽然热红外遥感技术具有广泛的应用前景，但也面临一些挑战。
3.1 信号解析和处理热红外遥感技术所获取的数据量庞大，需要进行信号解析和处理才能得到有用的信息。
目前，研究人员正致力于开发高效的算法和技术，以提高数据处理的效率和准确性。
3.2 仪器和设备热红外遥感技术需要借助特殊的仪器和设备进行数据采集和测量。
这些仪器和设备的性能和精度对于数据的质量和可靠性至关重要。
因此，研究人员需要不断改进和优化热红外遥感设备，以满足不同应用领域的需求。
3.3 数据解释和分析热红外遥感技术所获得的数据需要经过解释和分析才能得出准确的结论。
这需要研究人员对数据进行深入的理解和分析，以及对所研究对象的特性有足够的了解。
火箭发动机试验红外测温技术应用
火箭发动机试验红外测温技术应用徐峰;罗军;彭飞【摘要】The temperature measurement during the liquid rocket engine test is currently done with the contact measurement method.It has high accuracy,but the performance and life of temperature sensing elements are influenced by contact of the measured object,high temperature and corrosion propellant.According to the requirements and the characters of the liquid rocket engine test,an infrared temperature measurement system was designed and established in combination of the advanced distributed non-contact measurement and optical fiber transmission technologies.The nondestructive and wireless measurement,and optical fiber transmission are adopted in the system,which improves the pick-up rate of temperature parameters on the key parts of the liquid rocket engine in running test in severe environment.The establishment of the system has laid a firm foundation for the research on temperature field distribution of liquid rocket engine.%目前发动机试验温度参数主要采用接触式测量方法,测温元件直接与被测对象相接触,优点是测量精度高,缺点是试验过程传感器经常损坏或脱落,且高温和腐蚀性介质影响感温元件的性能和寿命.根据发动机试验任务的要求和液体火箭发动机试验的特点,结合先进的分布式无接触式测量及光纤传输的技术,设计并建立了红外热成像测量系统.该系统采用无损、无线测量及光纤传输方式,提高了发动机热试车恶劣环境条件下关键部位温度参数的获得率,为全面研究发动机工作过程温度场分布情况奠定基础.【期刊名称】《火箭推进》【年(卷),期】2017(043)001【总页数】7页(P78-84)【关键词】发动机试验;红外测温技术;无线测量;红外热成像【作者】徐峰;罗军;彭飞【作者单位】西安航天动力试验技术研究所,陕西西安710100;西安航天动力试验技术研究所,陕西西安710100;西安航天动力试验技术研究所,陕西西安710100【正文语种】中文【中图分类】V434-34液体火箭发动机研制过程中，需要进行大量的地面热试车考核。
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Nuclear Science and Technology 核科学与技术, 2015, 3(4), 140-147 Published Online October 2015 in Hans. /journal/nst /10.12677/nst.2015.34020文章引用: 史博, 汪卫华, 张辉, 杨锦宏, 麻晓敏, 单会会, 王平. 红外测温诊断原理及其在核聚变装置托卡马克中的Diagnostic of Infrared Temperature Measurement and Its Application in TokamakBo Shi 1,2,3, Weihua Wang 1,3, Hui Zhang 3, Jinhong Yang 3, Xiaomin Ma 3, Huihui Shan 3, Ping Wang 31Institute of Plasma Physics, Hefei Institutes of Physical Sciences, Chinese Academy of Sciences, Hefei Anhui 2Science Island Branch of Graduate School, University of Science and Technology of China, Hefei Anhui 3Institute of Applied Physics, Army Officer Academy of PLA, Hefei Anhui Email: shibo1982_1982@ Received: Oct. 7th , 2015; accepted: Oct. 24th , 2015; published: Oct. 30th , 2015Copyright © 2015 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). /licenses/by/4.0/AbstractThe fusion energy and the potential reactor Tokamak for fusion are introduced in this paper. Then, the infrared temperature measurement principle, diagnostic system and its application on EAST, JET, Tore Supra etc. are discussed. Reference for the diagnostic of infrared temperature mea-surement of Tokamak can be provided in this paper. KeywordsTokamak, Diagnostic of Infrared Temperature Measurement, EAST红外测温诊断原理及其在核聚变装置托卡马克中的应用史 博1,2,3，汪卫华1,3，张 辉3，杨锦宏3，麻晓敏3，单会会3，王 平31中国科学院合肥物质科学研究院，等离子体物理研究所，安徽 合肥 2中国科学技术大学，科学岛分院，安徽 合肥3中国人民解放军陆军军官学院，应用物理研究所，安徽 合肥史博 等Email: shibo1982_1982@收稿日期：2015年10月7日；录用日期：2015年10月24日；发布日期：2015年10月30日摘 要本文在介绍聚变能及其可能实现装置托卡马克聚变堆的基础上，结合红外测温原理及其系统，论述了红外测温诊断在EAST 、JET 、Tore Supra 等托卡马克装置上的应用，为托卡马克聚变堆红外测温诊断提供参考。
关键词托卡马克，红外测温诊断，EAST1. 引言传统的煤、石油、天然气等石化能源,是古代生物遗体在长期的与氧隔离的地质条件下形成的,这种有限的资源经不起现代工业的巨大消耗。
取之不尽的核能源，将使人类摆脱能源危机[1]。
聚变能量是通过轻原子核(氢的同位素氘和氚)发生聚变核反应释放出来的。
半个世纪以来，世界上许多国家一直在从事核聚变研究工作，主要是由于聚变反应堆所使用的燃料容易得到，而且取之不尽。
据估计，地球上有海水1021千克，每千克海水含氘0.03克，共含氘3 × 1016千克，以全世界能源消耗年平均2 × 1020焦耳计算，地球上的氘可使用3 × 1010年之久[2]。
托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形装置，其中央是一个环形的真空室，外部缠绕着线圈，通电时内部会产生巨大的螺旋磁场，加热并控制等离子体，创造氘、氚实现聚变的环境，并实现人类对于聚变反应的控制。
图1为中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所的托卡马克装置EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak)的结构示意图。
第一壁是托卡马克装置中面对等离子体的一层固体结构，也就是真空室壁，用于封闭等离子体。
在托卡马克装置等离子体运行过程中，第一壁材料特别是限制器和偏滤器区域会受到强烈的热负荷作用。
开展对聚变装置的第一壁温度测量和热负荷特性的研究将为未来聚变实验装置的安全运行、第一壁材料的优化选择和结构设计、改善等离子体性能提供重要的依据。
2. 红外测温原理红外线的波长为0.76微米~100微米，是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大。
普朗克黑体辐射公式给出，温度为T 的黑体在单位时间内从单位表面积辐射出的波长为λ的单位波长区间的电磁波能量为：()252π1,e 1b hc kT hc M T λλλ=−其中：k 是玻耳兹曼常数，k = 1.38 × 10−23 J/K ；h 是普朗克常数，h = 6.626 × 10−34 J·s 。
此公式给出了黑体的温度与辐射能量之间的关系[3]。
史博等黑体是一个理想模型，其吸收本领最强，辐射本领也最强，而实际的物体的辐射本领要小于黑体，所以红外测温中还有一个重要参数就是发射率ε，也称“辐射率”或辐射系数。
物体的发射率是物体在一定温度下辐射的热能与黑体在同温度下辐射能量的比值，实际物体的发射率在0到1之间，它是影响红外测温结果的直接因素。
物体的发射率随材料的性质和表面状态变化而变化，即任何物体的发射率因材料而异，取决于其材料的性质，而同一材料的发射率又与其表面状态有关，如光洁度、氧化程度及其覆盖层等，它还随被测物的温度变化而有所变化。
因此，发射率的标定是红外测温前的一项重要工作，通过黑体热辐射公式及实际物体的发射率便可得到实际物体的辐射能量与表面温度间的关系。
温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。
红外测温的主要设备红外热像仪，通过非接触探测红外能量(热量)，将物体辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置的输出信号就可以完全一一对应地模拟扫描物体表面温度的空间分布，进而在显示器上生成热图像和温度值，并可以对温度值进行计算，它利用物体表面温度和其辐射之间的关系来计算得到温度分布。
3. 红外测温诊断在托卡马克装置上的应用3.1. 红外测温诊断系统介绍托卡马克上基本的红外测温诊断系统，如图2所示，主要包括红外热像仪、触发采集、远程传输和控制几个部分。
在放电过程中由于有辐射存在，不便于人直接操作，所以采取触发采集的方法，在托卡马克放电前如提前100 ms触发，热像仪接收到触发信号后开始采集数据，设置采集时间，如10 s，则10 s后采集结束。
本地电脑放置在托卡马克装置附近，温度数据及图像存储在本地电脑内，可通过远程控制电脑查看、处理。
3.2. 红外测温诊断在EAST上的应用EAST是中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置，它具有非圆截面和全超导磁体系统。
通过在红外热像仪前加一组透镜组成了内窥镜，内窥镜的透镜组部分进入了真空室，其视场范围更广，观测范围比红外热像仪在窗口外观测要大很多。
EAST上的大视场红外/可见集成式内窥镜，可同时采集红外图像和可见图像。
图3为内窥镜系统三维图，考虑到未来ITER强烈的中子辐照，其很多诊断要求只能开一个小孔来观测，所以EAST的红外系统内窥镜前端采用小孔入射方式。
视场光从小孔进入，经内部椭球面镜、平Figure 1. Structure sketch map of EAST图1. EAST结构示意图史博等Figure 2. Schematic diagram of infrared diagnosis system图2.红外诊断系统示意图Figure 3. Three-dimensional map of endoscope system图3.内窥镜系统三维图面镜反射为近平行于内窥镜的光线，再经卡萨格林系统将光线聚焦，由红外透镜组(锗透镜系统)成像于红外探测器上。
所有的反射镜都采用镀金膜，镀金膜在红外波段有很强的反射率，高达98%。
图4所示为集成式内窥镜的位置及观测范围，内窥镜安装在K窗口，可观测P、O、N三个窗口范围内的上、下偏滤器，限制器及低杂波天线，如图5所示。
图4为红外图像，不同的颜色即代表不同的温度，红外相机在工作过程中，将所有观测部分的温度记录下来，通过专用软件即可对测量结果进行处理。
3.3. 红外测温在JET (Joint European Torus)上的应用[4] [5]JET是欧洲的托卡马克，其内窥镜系统可同时进行红外观测和可见光观测，观测范围为上偏滤器、内壁、外部极向限制器、ICRF (离子回旋频段)天线和上限制器。
图6所示为内窥镜结构，内部装有一组透镜组，使其观测到了内部很大范围。
图7为红外图像，显示了通过内窥镜观测到的JET内壁的温度分布。
EAST上的红外测温系统与JET上的系统是基本相同的，其特点都是通过红外/可见集成式内窥镜进史博等Figure 4.Integrated endoscope and observationrange of EAST图4. EAST上的集成式内窥镜及观测范围示意图Figure 5. Endoscope infrared image of EAST图5. EAST上内窥镜的红外图像Figure 6. Infrared endoscope structure of JET图6. JET上红外内窥镜结构行观测，视场范围更广，不仅可获得红外图像和温度数据，还可获得可见图像。