托卡馬克裝置之無損傷檢測

太赫茲（Terahertz or THz）波通常指的是頻率處在0.1THz~10THz之間的電磁波，介於微波和紅外之間。太赫茲時域光譜系統是一種相干探測技術，能夠同時獲得太赫茲脈衝的振幅資訊和相位資訊，通過對時間波形進行傅立葉轉換能直接得到樣品的吸收係數和折射率等光學參數。

在核聚變托卡馬克裝置中，等離子體與壁材料相互作用將會產生灰塵。灰塵的成因非常複雜，涉及到多種等離子過程，同時灰塵顆粒打擊或者沉積到第一壁上時有可能改變壁材料的熱傳導率及其他性質。太赫茲時域光譜技術探測靈敏度很高，所以已經廣泛應用於材料性質的分析中。

托卡馬克裝置中灰塵成分主要有鎢、鈹、鉬、碳、硼、氧、矽、鉻、錳等，理論模擬計算表明，這些成分沉積在鎢第一壁上在太赫茲波段的吸收譜可以特徵識別，不同成分與鎢表面結合的太赫茲頻域譜特徵譜線出現的位置不同，同時同一成分隨著沉積在鎢上薄膜厚度的變化，雖然太赫茲波射入第一壁反射回的太赫茲頻域譜的特徵譜線位置不變，但是譜線強度會發生相應的變化，根據這一特徵，可以結合類比實驗及分子動力學方法確定不同成分沉積在鎢表面若干條特徵譜線峰值位置，將實驗所得與理論計算結果對比，從而確定成分。其工作包括以下步驟：

步驟1：在托卡馬克磁約束聚變裝置工作時，將太赫茲波垂直入射到需要檢測的區域，即托卡馬克鎢第一壁，探頭測量並記錄由托卡馬克鎢第一壁反射回的太赫茲時域波譜；

步驟2：分析處理上述太赫茲時域波譜，將太赫茲時域波譜在有效頻域內做傅裡葉變換，得到太赫茲頻域譜；

步驟3：電腦理論類比不同灰塵成分沉積在鎢第一壁上的太赫茲頻域譜，並記錄不同灰塵成分的太赫茲特徵譜線位置；對於同一種灰塵成分，模擬不同厚度與標定厚度（如1μm）時太赫茲特徵譜線的相對強度比，得到每一種灰塵成分的沉積層厚度d與相對強度比R的函數關係R=f(d)，集成為電腦資料庫；

步驟4：選取步驟2實驗所得的太赫茲頻域譜的特徵譜線，將此太赫茲特徵譜線位置與資料庫中不同灰塵的太赫茲特徵譜線位置相比對，確定灰塵成分；

步驟5：確定灰塵成分後，將該灰塵成分的太赫茲特徵譜線與資料庫標定厚度的太赫茲特徵譜線相比較，得到相對強度比，再與資料庫中的沉積層厚度-相對強度比的函數關係進行對照，確定沉積層厚度；

步驟6：將托卡馬克鎢第一壁沉積層成分及厚度資訊輸出，並保存於電腦系統中，完成對托卡馬克鎢第一壁灰塵成分及厚度的檢測。

利用反射太赫茲時域譜技術結合電腦資料庫，為快速、同步檢測磁約束聚變托卡馬克裝置鎢第一壁灰塵沉積層成分以及厚度提供了條件，在磁約束裝置視窗外向托卡馬克第一壁探測區域發射太赫茲波，並接收反射時域譜，將其轉換成頻域譜，最後與電腦資料庫進行比對，確定灰塵成分和沉積層厚度，從而達到同步線上且無接觸無損傷檢測。

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