用于放射性去污的复合式纳秒激光去污装置及去污方法

技术领域

本发明涉及核工业去污领域，尤其涉及一种用于放射性去污的复合式纳秒激光去污装置及去污方法。

背景技术

中国是世界上核设施建设规模最大国家之一，国家大力推进能源结构战略性调整，重点发展核能的同时，但有关核设施退役的新技术研发相对滞后，在今后相当长一段时间，我国可能将面临逐渐增多的民用核与辐射设施退役活动，届时产生的放射性废物需要安全的清除和管理，所以对核设施退役技术的研究已经刻不容缓。同时，核设施所特有的放射性附着物以及复杂的附着物类型对激光去污工艺提出很多特殊技术要求，因此，绿色、非接触、自动化、无人化、信息化和智能化的激光去污在核设施去污领域的研究迫在眉睫。

核设施运行后，不可避免产生需要退役的放射性构件。核设施放射性构件退役需要进行拆除、去污等技术处理。反应堆工程退役和一般设施拆除不同，核反应堆退役是是一个复杂的过程，其最大特点是经过几十年运行的反应堆已成为很强的放射源，各部位都受过不同程度的中子活化和放射性核素污染。因此，核设施退役是难度大、时间长、耗资多而又是非做不可的工作。

核设施废金属类别有：不锈钢、碳钢、镍和镍基合金等，不含活化产物，废金属的几何形状也千差万别，暂占用暂存场地的贮存面积较大。需要采用合适的废金属去污技术，考虑放射性废金属的种类、几何形状、污染核素、污染水平等，参考国家现行标准(清洁解控水平、放射性废物分类、个人剂量限值等)，研发合适的废金属去污设备，有效处理放射性污染的废金属，方便拆卸解体，以达到减小废金属尺寸或清洁解控的目的。

核设施放射性金属固废处理对先进去污技术需求迫切。传统的机械打磨、化学溶解、液体强力冲洗及超声等去污方法存在效率低、环境污染、精度差等局限，无法满足高效、精准、环保去污要求。工程实践中采用的传统去污方法存在诸多实施困难，如：二次废物量过大、人员受照剂量超标、废物回收困难等一系列问题。相比传统的去污方法，激光去污具有非接触、定位精确、效率高、可控性强及环境无污染等特点。具有传统去污方法无法比拟的优势，通过与现代智能控制技术的融合，可满足核领域去污高效、安全、环保等高端需求。

激光去污的实质其实就是激光与污物层的复杂的物理化学作用，即通过连续或脉冲激光的激光克服污物与基材表面之间结合力，使污物脱离基材表面而达到清洗的目的。主要机制有：第一、激光光束产生的热输出直接传导给污物，污物受热膨胀并持续积累，从而产生足以脱离基材表面的膨胀力；第二、高能量的激光束在焦点处产生几百度或者上千度的高温，使污染物瞬间膨胀燃烧、汽化、蒸发或分解；第三、高能量密度的脉冲激光冲击波作用的污物上，使其产生高频率振动从而脱离基材表面。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种用于放射性去污的复合式纳秒激光去污装置及去污方法，技术方案如下：

一方面，提供了一种用于放射性去污的复合式纳秒激光去污装置，包括高效纳秒激光器、超高能纳秒激光器、第一准直隔离器、第二准直隔离器、合束镜、X振镜、Y振镜、场镜、驱动机构及控制器；

所述高效纳秒激光器的输出端通过第一光缆与所述第一准直隔离器的输入端连接，所述超高能纳秒激光器的输出端通过第二光缆与所述第二准直隔离器的输入端连接，所述第一准直隔离器和第二准直隔离器分别对应所述合束镜的两个入光口，所述X振镜用于对所述合束镜的出光进行X方向扫描，所述Y振镜用于对所述合束镜的出光进行Y方向扫描；所述场镜设置在所述X振镜和Y振镜的出光侧；

所述第一准直隔离器、第二准直隔离器、合束镜、X振镜、Y振镜和场镜集成为光学模组，在所述控制器的控制下，所述驱动机构驱动所述光学模组在X-Y二维空间或三维空间内运动；

所述高效纳秒激光器和超高能纳秒激光器的输出功率调节范围均为0-1000W，所述高效纳秒激光器和超高能纳秒激光器的重复频率调节范围均为20khz-40000khz，且所述高效纳秒激光器的峰值功率大于或等于所述超高能纳秒激光器的脉冲宽度的3倍。

进一步地，在所述控制器的控制下，所述高效纳秒激光器和超高能纳秒激光器以预设的时间间隔交替工作，且所述高效纳秒激光器的单次工作时间大于所述超高能纳秒激光器的单次工作时间。

可选地，所述X振镜和Y振镜能够扫描得到线状的光线和/或面状的光线。

另一方面，提供了一种基于如上所述的复合式纳秒激光去污装置的复合激光协作去污方法，包括以下步骤：驱动复合式纳秒激光去污装置的光学模组在待去污工件的上方作扫描式步进移动，相邻两次步进移动之间存在预设的总时间间隔，每次步进移动之后，先启动高效纳秒激光器，并在运行第一时间段后停止，间隔第二时间段后启动超高能纳秒激光器，并在运行第三时间段后停止，且停止超高能纳秒激光器至下一次启动高效纳秒激光器之间间隔第四时间段，所述总时间间隔为第一时间段、第二时间段、第三时间段和第四时间段的总和；所述光学模组按照以上作步进移动，直至完成对所述待去污工件上表面的扫描。

进一步地，根据X振镜和Y振镜扫描得到的光线的面状区域大小或线状区域的线宽，设定步进移动的距离小于或等于所述面状区域的边长或线状区域的线宽。

具体地，设定所述第一时间段大于第三时间段。

具体地，在启动激光器之前，还包括初始化操作，包括将待去污工件放置在工作台上指定区域，并驱动光学模组移动至初始化位置。

优选地，所述待去污工件为放射性构件，所述复合激光协作去污方法与切割、焊接技术复合使用，对所述放射性构件进行修复。

优选地，将激光飞行3D打印中的动态聚焦、表面三维轮廓重构技术与激光束焦斑时空整形技术相结合，利用光场空域调控、振镜扫描轮廓匹配、最优路径规划、位置感知、多元激光参数闭环反馈控制技术，实现小曲率转角区域精准激光去污。

本发明具有下列优点：

a.采用高效纳秒激光器与超高能纳秒激光器复合的技术，实现放射性金属废物熔炼解控与清洁解控两种不同指标的技术需求；

b.高效纳秒激光器实现部件表面污染的快速无损去污；

c.超高能纳秒激光器为高功率高光束质量出光，彻底清除可能的活化产物，实现整体的深度剥离解控去污。

附图说明

图1是本发明实施例提供的复合式纳秒激光去污装置的结构示意图；

图2是图1中激光去污装置的局部示意图；

图3是本发明实施例提供的复合式纳秒激光器的工作波形时序图。

其中，附图标记包括：11-高效纳秒激光器，12-超高能纳秒激光器，21-第一准直隔离器，22-第二准直隔离器，3-合束镜，41-X振镜，42-Y振镜，5-场镜，61-第一光缆，62-第二光缆。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

在本发明的一个实施例中，提供了一种用于放射性去污的复合式纳秒激光去污装置，如图1所示，所述复合式纳秒激光去污装置包括高效纳秒激光器11、超高能纳秒激光器12、第一准直隔离器21、第二准直隔离器22、合束镜3、X振镜41、Y振镜42、场镜5、驱动机构及控制器；

所述高效纳秒激光器11的输出端通过第一光缆61与所述第一准直隔离器21的输入端连接，所述超高能纳秒激光器12的输出端通过第二光缆62与所述第二准直隔离器22的输入端连接，如图2所示，所述第一准直隔离器21和第二准直隔离器22分别对应所述合束镜3的两个入光口，所述X振镜41用于对所述合束镜3的出光进行X方向扫描，所述Y振镜42用于对所述合束镜3的出光进行Y方向扫描；所述场镜5设置在所述X振镜41和Y振镜42的出光侧。本实施例的复合式纳秒激光去污装置将两路激光通过合束镜以特定角度进行整合，合束镜片需满足两路激光的波长、功率、能量密度等参数指标的要求。两路激光通过一系列的控制，实现复合协作去污。

所述第一准直隔离器21、第二准直隔离器22、合束镜3、X振镜41、Y振镜42和场镜5集成为光学模组，在所述控制器的控制下，所述驱动机构驱动所述光学模组在X-Y二维空间或三维空间内运动；所述X振镜41和Y振镜42能够扫描得到线状的光线和/或面状的光线。

所述高效纳秒激光器11的输出功率调节范围均为0-1000W，所述高效纳秒激光器采用传统高功率无损激光去污系统(通过整形，光束分布为定制平顶光分布，可实现无损去污)，实现部件表面污染的快速去污；所述超高能纳秒激光器12的输出功率调节范围均为0-1000W，所述高效纳秒激光器和超高能纳秒激光器的重复频率调节范围均为20khz-40000khz，且所述高效纳秒激光器11的脉冲宽度大于或等于所述超高能纳秒激光器12的脉冲宽度的三倍，所述超高能纳秒激光器采用高功率高光束质量激光(通过整形，光束分布设计为定制脉冲光分布，单位时间光束能量高，光斑质量高)，实现部件基材表层的深度剥离，从而彻底清除可能的活化产物实现整体的深度剥离解控去污。

在本实施例中，所述高效纳秒激光器11的输出功率为500W，所述超高能纳秒激光器12的输出功率为1000W。所述超高能纳秒激光器12的能量密度要远远大于所述高效纳秒激光器11，如图3所示，在相同的时域下的工作时序图中，所述超高能纳秒激光器12能够在瞬时产生超高的能量，实现深度剥离解控去污。

进一步地，在所述控制器的控制下，所述高效纳秒激光器11和超高能纳秒激光器12以预设的时间间隔交替工作，且所述高效纳秒激光器11的单次工作时间大于所述超高能纳秒激光器12的单次工作时间。

另一方面，提供了一种基于如上所述的复合式纳秒激光去污装置的复合激光协作去污方法，包括以下步骤：具体地，在启动激光器之前，首先进行初始化操作，包括将待去污工件放置在工作台上指定区域，并驱动光学模组移动至初始化位置。

其次，驱动复合式纳秒激光去污装置的光学模组在待去污工件的上方作扫描式步进移动，相邻两次步进移动之间存在预设的总时间间隔，如图3所示，每次步进移动之后，先启动高效纳秒激光器，并在运行第一时间段(t1)后停止，间隔第二时间段(t2)后启动超高能纳秒激光器，并在运行第三时间段(t3)后停止，所述第一时间段(t1)优选大于第三时间段(t3)，且停止超高能纳秒激光器至下一次启动高效纳秒激光器之间间隔第四时间段(t4)，所述总时间间隔为第一时间段、第二时间段、第三时间段和第四时间段的总和(t1+t2+t3+t4)，即按照高效纳秒激光器开光→作业→高效纳秒激光器关光→超高能纳秒激光器开光→作业→超高能纳秒激光器关光，以此循环。激光协作的时间间隔可以控制在ms级，两路激光间隔协作复合作业。所述光学模组按照以上作步进移动，直至完成对所述待去污工件上表面的扫描。

进一步地，根据X振镜和Y振镜扫描得到的光线的面状区域大小或线状区域的线宽，设定步进移动的距离小于或等于所述面状区域的边长或线状区域的线宽。

显然，应用本发明的复合式纳秒激光去污装置进行复合激光协作去污以外，还可以应用其他去污方式，比如针对非放射性构件单独启动高效纳秒激光器，实现表面附着物高效激光去污；或者，对于表面没有附着物的放射性构件单独启动超高能纳秒激光器，实现基材深层剥离，实现核设施深度剥离解控去污；又或者，采用首先使用高效纳秒激光器，对于待去污表面进行高效去污，去除表面附着物后再回到工作起始位置，使用超高能纳秒激光器实现基材深层剥离，实现核设施深度剥离解控去污。

相比于上述第三种方式，上述实施例中的复合激光协作去污方法至少具有如下优势：

1)仅需一次扫描即可完成待去污表面附着物去污和放射性构件的深度剥离解控去污，提高去污效率；

2)以微秒级或毫秒级设定激光器协作的时间间隔，减弱热量聚集，有利于散热，延长设备使用寿命。

在本发明的一个实施例中，所述待去污工件为放射性构件，所述复合激光协作去污方法与切割、焊接技术复合使用，对所述放射性构件进行修复。将激光去污技术应用于核设施去污，同时激光去污技术可以与其它技术(如切割、焊接等)复合使用，完成放射性构件的修复，更主要是可为AC厂房中金属构件、工具等的去污作业提供高科技去污手段，最终以达到清洁解控的目的。激光表面处理技术作为高能束加工的新型技术之一，具有绿色清洁性、非接触性、稳定性、可传输性和高剂量环境适应性等众多优点，针对放射性废金属表面放射性去除，激光可以通过光纤传输，方便地实现远距离操作，能清洗传统方法不易达到的部位，具有更高环境适应性，对于确保人员安全和实现去污清理具有重要意义。

在本发明的一个实施例中，将激光飞行3D打印中的动态聚焦/表面三维轮廓重构技术与激光束焦斑时空整形技术相结合，利用光场空域调控、振镜扫描轮廓匹配、最优路径规划、位置感知、多元激光参数闭环反馈控制等，实现小曲率转角区域精准激光去污，开发共形面三维动态激光去污头模块与多档位焦斑形貌在线快速自动切变系统，解决复杂几何构件/大陡度面型去污过程中激光光斑离焦导致的光斑功率密度分布不恒定以及去污效果不均匀的问题。

本发明利用高效纳秒激光器和超高能纳秒激光器间隔协作复合作业，仅需一次扫描即可完成待去污表面附着物去污和放射性构件的深度剥离解控去污，提高去污效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制其专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。