CN104157321B - 低能大流强材料辐照装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低能大流强材料辐照装置，其技术方案的要点是：它包括送气系统、气压监测装置2、等离子体产生系统、样品台13、激光加热系统6、测温系统9、真空抽气系统5、水冷循环系统4和供电系统。利用本发明对材料表面进行处理，可以有效地模拟核聚变堆的辐照环境进而研究辐照后材料的特性、结构以及功能的变化。

Description

低能大流强材料辐照装置
技术领域
本发明涉及在核聚变托克马克NBI技术领域中，能够模拟核聚变反应过程中的辐照环境，如高温、低能离子与聚变堆第一壁材料的相互作用的低能大流强辐照装置。
背景技术
国际热核聚变实验堆(ITER)计划是当今世界最大的大科学工程国际科技合作计划之一，也是迄今我国参加的规模最大的国际科技合作计划，吸引了包括中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国等世界主要核国家和科技强国共同参与。我国于2007年经国务院批准设立了“中国国际热核聚变实验堆(ITER)计划专项”(以下简称ITER计划专项)。该计划专项是具有明确国家目标、是针对国家热核聚变的科学发展和科学技术的进步具有全局性和带动性的研究发展计划，旨在解决国家战略能源需求中的重大科学和技术问题，以及对人类认识世界将会起到重要作用的聚变及相关科学前沿问题，提升我国热核聚变研究自主创新能力，为国民经济和社会可持续发展提供科学基础，为未来高新技术的形成提供源头创新。
核技术的成败取决于材料在反应堆强辐射场下的行为，因此，针对核聚变堆关键材料的辐照损伤机理的尤为重要。因此，本设计根据聚变堆对相关材料的抗辐照性能的要求，从抗辐照核材料的设计、结构与性能的调控的角度，开展材料辐照损伤机制的基础研究，由于核聚变堆苛刻的工作环境以至于难以实现上述研究，本人自行设计低能大流强辐照装置，其主要目的为了模拟核聚变堆反应过程中的辐照环境，实现上述基础研究，同时研究在低能大流强的环境下材料本身的性能及结构变化。迄今为止低能大流强材料辐照装置的设计尚未见报道.
发明内容
本发明的目的是提供一种能够模拟核聚变堆托克马克运行的工作环境，并实现低能大流强材料辐照的研究。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：
一种低能大流强材料辐照装置，包括送气系统、气压监测装置2、等离子体产生系统、样品台13、激光加热系统6、测温系统9、真空抽气系统5、水冷循环系统4和供电系统；
所述的送气系统是由气源1和数字DIP控制系统3组成；
所述的等离子体产生系统包括法拉第水冷屏14、高纯石英桶12、RF外置天线11、聚四氟保护壳10、栅极抑制磁铁15和离子引出系统；高纯石英桶12为圆形空筒置于水平向，桶内沿桶壁设置有法拉第水冷屏14；RF外置天线11环绕在高纯石英桶12的外壁，聚四氟保护壳10环绕在高纯石英桶12置于RF外置天线11外侧；栅极抑制磁铁15置于高纯石英桶12的左侧；高纯石英桶12的右侧连接离子引出系统；
所述的栅极抑制磁铁15是由背栅极法兰、永久磁铁和法兰盖组成，背栅极法兰为圆盘形，径向沿圆周有十道凹槽，其中五道镶嵌永久磁铁，另外五道为冷却水道，永久磁铁和冷却水道沿径向由内到外间隔设置，背栅极法兰中心部设有进气孔和气压检测孔，法兰盖封盖在背栅极法兰上；冷却水道与所述的水冷循环系统4连接形成循环系统；所述送气系统的气源1与进气孔连接；所述的气压监测装置2与气压检测孔连接；
所述的RF外置天线11为空心无氧铜管盘旋制作，与所述的水冷循环系统4连接形成循环系统；
所述的离子引出系统为钼圆板制成，其上阵列式布满圆孔，所述的离子引出系统外接负偏压电源；
所述的真空抽气系统5与所述的离子引出系统连接；
所述的样品台13安装在真空抽气系统5内，且穿过离子引出系统的中心孔由高纯石英桶12的右侧伸入高纯石英桶12内；所述的激光加热系统6用于加热所述的样品台13上的样品，所述的测温系统用于实时监测样品台的温度；
所述的气源1由所述的数字DIP控制系统3控制通过所述的栅极抑制磁铁14进入高纯石英桶12内；
所述的气压监测装置2安装在栅极抑制磁铁14用于监测所述的等离子体产生系统的压力；
所述的供电系统包括射频电源7和负偏压电源8。
由于采用上述技术方案，本发明提供的一种低能大流强材料辐照装置具有这样的有益效果：
利用低能大流强材料辐照装置对材料表面进行处理，可以有效地模拟核聚变堆的辐照环境进而研究辐照后材料的的特性、结构以及功能的变化，以W材料为例，本次利用该辐照装置辐照W表面，使W的表面结构发生改变，通过原子力显微镜分析发现W样品表面经本装置产生的高密度低能等离子体辐照后，样品缺陷增强，表面有泡状结构产生等，这有效的证实了本发明应用的实用性与创新新，同时用SEM扫描电镜、AFM原子力显微镜等对处理后的材料表面效果进行表征。
附图说明
图1是低能大流强辐照装置结构示意图；
图2是离子引出系统和样品台装配示意图；
图3是离子引出系统和样品台装配平面示意图；
图4是负偏压加载示意图
图5是偏压加载示意图；
图6是冷却水管示意图；
图7是背栅极法兰结构示意图；
图8是背栅极法兰俯视图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明进一步描述。
一种低能大流强材料辐照装置，用于实现高密度等离子体的产生，如图1所示，它包括进气系统、气压监测装置2、等离子体产生系统、样品台13、激光加热系统6、测温系统9、真空抽气系统5、水冷循环系统4和供电系统；
所述的进气系统是由气源1和数字DIP控制系统3组成；
所述的等离子体产生系统包括法拉第水冷屏14、高纯石英桶12、RF外置天线11、聚四氟保护壳10、栅极抑制磁铁15和离子引出系统组成；
法拉第水冷屏14采用全金属钼或者钨等低溅射率高导热系数的金属材料做成；
高纯石英桶12采用纯度达到99.9％的高纯石英或者99.9％的氧化铝陶瓷材质制作；
如图2和图3所示，离子引出系统系由钼圆板或者钨圆板加工而成，其上阵列式布满内径为10mm的圆孔，且该引出系统外接负偏压电源；离子引出系统产生高密度等离子体截面半径为r＝50mm，其中放电管外径为100mm，内径90mm，长20cm；
如图1所示，高纯石英桶12置于水平位置，桶内沿桶壁设置有法拉第水冷屏14，RF外置天线11环绕在高纯石英桶12的外壁，聚四氟保护壳10环绕在高纯石英桶12置于RF外置天线11外侧；栅极抑制磁铁15置于高纯石英桶12的左侧，用于抑制产生的高密度等离子体中的电子；高纯石英桶12的右侧连接离子引出系统；
如图6所示，所述的RF外置天线11为八匝直径为5mm的空心无氧铜管盘旋制作而成，所述的水冷循环系统4连接形成循环系统；RF天线均用聚四氟包裹，起到保护于绝缘作用，RF天线内通冷却水，用于形成水冷循环降低温度，外接10kW射频电源；
如图7和图8所示，所述的栅极抑制磁铁15是由背栅极法兰和永久磁铁组成，背栅极法兰为圆盘形，其材质为不锈钢材质，径向沿圆周有十道凹槽，其中五道镶嵌永久磁铁，永久磁铁为钐钴材质的抑制磁铁，另外五道为冷却水道，永久磁铁和冷却水道沿径向由内到外间隔设置，背栅极法兰中心部设有进气孔和气压检测孔，法兰盖封盖在背栅极法兰上；冷却水道与所述的水冷循环系统4连接形成循环系统；所述送气系统的气源1与进气孔连接；所述的气压监测装置2与气压检测孔连接；
如图1所示，所述的真空抽气系统5与所述的离子引出系统连接；真空抽气系统5主要是把所述的等离子体产生系统抽成真空；
如图2和图3所示，所述的样品台13安装在离子引出系统上，且由伸入高纯石英桶12的右侧高纯石英桶12内；所述的激光加热系统6用于加热所述的样品台13上的样品，激光加热系统主要由激光器直接作用于样品表面；所述的测温系统采用红外探测器用于实时监测样品台表面温度；激光加热主要模拟核聚变对高温环境；
如图1所示，所述的气源1由所述的数字DIP控制系统3控制通过所述的栅极抑制磁铁14进入高纯石英桶12内；进气系统置于背栅极上；当接通10kW射频电源时，即可在石英桶内产生高密度等离子体，若此时再打开负偏压电源，即可将产生的高密度等离子体引向样品台，低能高密度等离子体则会辐照样品；
所述的气压监测装置2采用真空计安装在背栅极上用于监测所述的等离子体产生系统的压力；
所述的供电系统包括射频电源7和负偏压电源8。
水冷循环系统4主要是将背栅极、RF天线、法拉第屏进行水冷；这种设计模拟了核聚变堆恶劣的辐照环境，实现了低能大流强材料辐照的设计研究等。
对于整个系统的安装定位连接，装置使用高精度加工技术，以及有效的利用各个部件上的可拆卸螺钉或者螺母对各个部件之间进行精准的可靠的定位和对接。
本发明的工作原理为，如图1——图5所示，首先打开抽气系统(5)，打开水冷循环系统(4)，待气压达到一定，打开送气系统(1)、(3)，通入氢气，待气压监测系统(2)恒定，打开供电系统(7)，(8)，同时打开激光加热系统(6)、(9)，经过以上几步之后，将在等离子体产生系统中产生低温高密度等离子体，通过引出加速系统，使得产生的等离子体具有一定的能量和方向，最终达到辐照样品台(13)的样品；其中(6)是通过激光对辐照样品进行加热，使其温度达到实验条件要求；(9)是一套红外测温系统，可以实时的检测样品表面的温度，用来检测和控制激光加热系统的功率；低能大流强辐照装置结构实物图及等离子体产生系统实物图如附图。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种低能大流强材料辐照装置，其特征在于：包括送气系统、气压监测装置(2)、等离子体产生系统、样品台(13)、激光加热系统(6)、测温系统(9)、真空抽气系统(5)、水冷循环系统(4)和供电系统；
所述的送气系统是由气源(1)和数字DIP控制系统(3)组成；
所述的等离子体产生系统包括法拉第水冷屏(14)、高纯石英桶(12)、RF外置天线(11)、聚四氟保护壳(10)、栅极抑制磁铁(15)和离子引出系统；高纯石英桶(12)为圆形空筒置于水平向，桶内沿桶壁设置有法拉第水冷屏(14)；RF外置天线(11)环绕在高纯石英桶(12)的外壁，聚四氟保护壳(10)环绕在高纯石英桶(12)置于RF外置天线(11)外侧；栅极抑制磁铁(15)置于高纯石英桶(12)的左侧；高纯石英桶(12)的右侧连接离子引出系统；
所述的栅极抑制磁铁(15)是由背栅极法兰、永久磁铁和法兰盖组成，背栅极法兰为圆盘形，径向沿圆周有十道凹槽，其中五道镶嵌永久磁铁，另外五道为冷却水道，永久磁铁和冷却水道沿径向由内到外间隔设置，背栅极法兰中心部设有进气孔和气压检测孔，法兰盖封盖在背栅极法兰上；冷却水道与所述的水冷循环系统(4)连接形成循环系统；所述送气系统的气源(1)与进气孔连接；所述的气压监测装置(2)与气压检测孔连接；
所述的RF外置天线(11)为空心无氧铜管盘旋制作，与所述的水冷循环系统(4)连接形成循环系统；
所述的离子引出系统为钼圆板制成，其上阵列式布满圆孔，所述的离子引出系统外接负偏压电源；
所述的真空抽气系统(5)与所述的离子引出系统连接；
所述的样品台(13)安装在真空抽气系统(5)内，且穿过离子引出系统的中心孔由高纯石英桶(12)的右侧伸入高纯石英桶(12)内；所述的激光加热系统(6)用于加热所述的样品台(13)上的样品，所述的测温系统用于实时监测样品台的温度；
所述的气源(1)由所述的数字DIP控制系统(3)控制通过所述的栅极抑制磁铁(14)进入高纯石英桶(12)内；
所述的气压监测装置(2)安装在栅极抑制磁铁(14)用于监测所述的等离子体产生系统的压力；
所述的供电系统包括射频电源(7)和负偏压电源(8)。
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