CN102564831A - 用于核聚变实验装置的第一壁部件上可拆卸分析的嵌入式样品装夹方法 - Google Patents

用于核聚变实验装置的第一壁部件上可拆卸分析的嵌入式样品装夹方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于核聚变实验装置的第一壁部件上可拆卸分析的嵌入式样品装夹方法，其特征在于：在第一壁零件上开一个槽作为样品底座，所述的槽内嵌装有需要面向等离子体、在核聚变实验装置内进行实验并需要事后分析的样品材料，样品材料的截面与样品底座上的槽的截面相吻合，装夹时，从所述样品底座上的槽的侧面将样品推入。本发明能承受装置内的热冲击和热震动，可用于核聚变实验装置中面向等离子体材料的测试及等离子体与壁材料相互作用实验。

Description

用于核聚变实验装置的第一壁部件上可拆卸分析的嵌入式样品装夹方法
技术领域
本发明涉及核聚变领域，具体涉及一种核聚变中实验装置中可拆卸分析样品的装夹方法。
背景技术
面向等离子体材料(Plasma Facing Material, PFM)是聚变装置中表面直接面对等离子体、与等离子体发生相互作用的材料，PFM表面直接面对着高温等离子体，其服役条件极为严酷，容易发生各种等离子体与壁相互作用（Plasma Wall Interaction, PWI）的改性变化，影响使用寿命，其逸出的杂质还可能危及等离子体的稳定和聚变装置的运行安全，这对PFM的性能以及等离子体的控制提出了极高的要求。可以说，在实现聚变能最终实用的道路上，PFM研发是最关键的工程技术问题之一。
PWI主要指PFM中放出的各种粒子进入等离子体约束区后对等离子体约束特性造成的影响，以及PFM本身受等离子体中粒子长期作用后的损伤，包括物理溅射、化学溅射、吸附、解吸、蒸发、背散射、再发射等复杂的物理化学过程。PWI问题被认为是国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）项目以及未来聚变反应堆建设的最关键物理问题之一。
PFM和PWI的研究方法主要是将实验样品置入核聚变实验装置内，进行原位及事后分析。其中原位分析需要借助大量的实时诊断方式，包括光谱、探针、红外相机等，数据方式具有一定的相对性。事后分析是在一段时间的等离子体辐照实验后，取出实验样品，直接对样品进行分析，数据较为直接、可靠。与事后分析相关的实验一般分为短周期实验与长周期实验。短周期实验一般通过核聚变实验装置的窗口，依赖送样装置将样品送入等离子体边界环境，其在装置内的位置受到极大的限制。长周期实验一般通过直接选取第一壁及偏滤器的瓦块，在整轮等离子体辐照实验之后取出，再进行分析，其选取位置不受限制，可以进行较为全面的研究不同位置、不同等离子体条件下的PFM和PWI实验。所采用的事后分析方法通常有扫描电子显微（Scanning Electron Microscopy, SEM）, X射线光电子能谱分析(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）,核反应分析法（Nuclear Reaction Analysis, NRA）, 二次离子质谱（Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS）,热脱附仪（Thermal Desorption Spectroscopy, TDS），卢瑟福背散射谱法（Rutherford Back scattering Spectroscopy, RBS）等。
由于长周期实验所依赖的是第一壁及偏滤器瓦块本身进行事后分析，其尺寸和形状由所依赖的部件决定，以东方超环(Experimental Advanced Super Tokamak, EAST)为例,第一壁瓦尺寸通常为90mm×60mm×20mm甚至更大，而事后分析所要求的样品尺寸一般都较小，如中国科学技术大学理化科学实验中心的Sirion200场发射扫描电子显微镜要求的样品高度不超过15mm，Evans Analytical Group （EAG）公司提供的CAMECA IMS-4F磁偏式SIMS要求的最大样品尺寸为10mm×15mm×3mm，所以在将所需样品从核聚变实验装置内取出后，还需要进一步加工样品，才能使之符合事后分析的需要。由于等离子体辐照实验中的实验气体主要为氢的同位素，可能吸附在样品表面或扩散并滞留在样品内部，所以要求加工时不能有温度升高，也不能使用含H的清洗液以防与样品表面及内部的H的同位素发生置换，而加工时产生的粉尘污染及温度升高带来的局部氧化，也会对样品造成二次污染。这就对样品加工提出了极高的要求，现有的各种加工方法并不能完全满足这些要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于核聚变实验装置的第一壁部件上可拆卸分析的嵌入式样品装夹方法，能够直接将符合事后分析要求尺寸及形状的样品置入核聚变实验装置内进行实验，实验后可以直接将样品拆卸下进行分析，能用于核聚变实验装置中面向等离子体材料的测试及等离子体与壁材料相互作用实验研究。
为解决上述技术问题，本发明技术方案如下：
用于核聚变实验装置的第一壁部件上可拆卸分析的嵌入式样品装夹方法，在第一壁零件上开一个槽作为样品底座，所述的槽内嵌装有需要面向等离子体、在核聚变实验装置内进行实验并需要事后分析的样品材料，样品材料的截面与样品底座上的槽的截面相吻合，装夹时，从所述样品底座上的槽的侧面将样品推入。
所述的一种用于核聚变实验装置的第一壁部件上可拆卸分析的嵌入式样品装夹方法，其特征在于：所述的样品材料，材质可为石墨、CFC、钼、钨、铍等各种需要在托卡马克核聚变实验装置内进行实验并需要事后分析的面向等离子体材料，样品材料的上表面与第一壁表面一致。
所述的一种用于核聚变实验装置的第一壁部件上可拆卸分析的嵌入式样品装夹方法，其特征在于：所述样品底座的槽为燕尾槽，所述槽的槽截面为等腰梯形，短边为开口，槽底燕尾处为圆角，所述的样品材料与燕尾槽完全贴合。
所述的一种用于核聚变实验装置的第一壁部件上可拆卸分析的嵌入式样品装夹方法，其特征在于：所述的样品材料，其上表面、侧面及样品块体内均可为分析表面，其上表面、侧面及样品块体可以根据实验设计进行适当的改变：上表面可以为水平表面，改变为倾斜平面、带孔或槽或具有一定形状的涂层的表面；样品材料可以分为多块，利用合适的组合拼接，使得块体组合的整体与样品底座配合。
本发明的优点是：本发明避免实验后再次加工成分析样品而带来的二次污染，同时也因为减少了样品加工过程，将实验-分析周期大大缩短，减少了样品存储过程中引入的污染。
附图说明
附图为本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，用于核聚变实验装置的第一壁部件上可拆卸分析的嵌入式样品装夹方法，在第一壁零件上开一个槽作为样品底座1，所述的槽内嵌装有需要面向等离子体、在核聚变实验装置内进行实验并需要事后分析的样品材料2，样品材料2的截面与样品底座1上的槽的截面相吻合，装夹时，从所述样品底座1上的槽的侧面将样品材料2推入。
本发明包括具有燕尾槽的样品基底1、可拆卸的分析样品2，其中可拆卸的分析样品与燕尾槽相配合。可拆卸的分析样品2可以根据实验需要进行表面与水平面的角度、表面形貌及结构、侧面与槽侧面的距离的调整，并可以拆分成小的组合样品块，只需使组合样品整体可以与燕尾槽相配合即可。
所述的样品材料2，材质可为石墨、CFC、钼、钨、铍等各种需要在托卡马克核聚变实验装置内进行实验并需要事后分析的面向等离子体材料，样品材料2的上表面与第一壁表面一致。
所述样品底座1的槽为燕尾槽，所述槽的槽截面为等腰梯形，短边为开口，槽底燕尾处为圆角，所述的样品材料2与燕尾槽完全贴合。
所述的样品材料2，其上表面、侧面及样品块体内均可为分析表面，其上表面、侧面及样品块体可以根据实验设计进行适当的改变：上表面可以为水平表面，改变为倾斜平面、带孔或槽或具有一定形状的涂层的表面；样品材料可2以分为多块，利用合适的组合拼接，使得块体组合的整体与样品底座1配合。
具体安装时，将单块样品或者样品组合从燕尾槽侧面推入，样品或样品组合的侧面及底面与燕尾槽内侧相配合。可以在样品及样品基底的接触面间插入石墨纸以增强固定并加强热传导。另外在燕尾槽的侧面增开螺栓孔，从侧面加压块增强固定。

Claims (4)

1.一种用于核聚变实验装置的第一壁部件上可拆卸分析的嵌入式样品装夹方法，其特征在于：在第一壁零件上开一个槽作为样品底座，所述的槽内嵌装有需要面向等离子体、在核聚变实验装置内进行实验并需要事后分析的样品材料，样品材料的截面与样品底座上的槽的截面相吻合，装夹时，从所述样品底座上的槽的侧面将样品推入。
2.根据权利要求1所述的一种用于核聚变实验装置的第一壁部件上可拆卸分析的嵌入式样品装夹方法，其特征在于：所述的样品材料，材质可为石墨、CFC、钼、钨、铍等各种需要在托卡马克核聚变实验装置内进行实验并需要事后分析的面向等离子体材料，样品材料的上表面与第一壁表面一致。
3.根据权利要求1所述的一种用于核聚变实验装置的第一壁部件上可拆卸分析的嵌入式样品装夹方法，其特征在于：所述样品底座的槽为燕尾槽，所述槽的槽截面为等腰梯形，短边为开口，槽底燕尾处为圆角，所述的样品材料与燕尾槽完全贴合。
4.根据权利要求1所述的一种用于核聚变实验装置的第一壁部件上可拆卸分析的嵌入式样品装夹方法，其特征在于：所述的样品材料，其上表面、侧面及样品块体内均可为分析表面，其上表面、侧面及样品块体可以根据实验设计进行适当的改变：上表面可以为水平表面，改变为倾斜平面、带孔或槽或具有一定形状的涂层的表面；样品材料可以分为多块，利用合适的组合拼接，使得块体组合的整体与样品底座配合。
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