CN105652350B - 一种适用于托卡马克型磁约束核聚变装置中第一镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于托卡马克型磁约束核聚变装置中第一镜结构及实现方法，具体地说是实现具有耐高能等离子体、中子及高能射线辐照，具有较高光谱反射率及其稳定性的反射镜。这种第一镜具有保护层，功能薄膜层，焊接钎料过渡层，微通道冷却器。功能薄膜层为采用真空镀膜工艺镀制到保护层上，功能薄膜层与微通道冷却器之间采用真空钎焊工艺，通过钎料过渡层焊接连接起来，形成一体的多层复合结构。其保护层耐高能等离子体、中子及高能射线辐照，功能薄膜层具有特征光谱反射功能，微通道冷却器将保护层沉积的热量排出，这种第一镜适用于在高能等离子体、中子及高能射线辐照条件下使用，适用于作为核聚变反应装置的第一镜使用。

Description

一种适用于托卡马克型磁约束核聚变装置中第一镜
技术领域
本发明涉及一种适用于托卡马克型磁约束核聚变装置中第一镜的实现方法，具体地说是采用一种多层结构，实现具有光学诊断功能的反射镜，并且在高能等离子体、中子及高能射线辐照条件下，具有稳定光谱反射率的反射镜实现方法。
背景技术
在托卡马克型磁约束核聚变实验装置中，由于光学诊断系统(如汤姆逊散射与远红外等)需要必须在装置的真空室内设置面对等离子体的第一镜(FM)。随着聚变装置(如ITER)的稳态运行，等离子体放电时间加长、运行参数升高，第一镜暴露于等离子体中的时间加长、所受的作用也更强烈，第一镜问题变得越来越严重。
目前研究多采用单晶耐金属钼、铑和钨等高熔点高硬度的金属材料，制备具有较高反射率的钨与钼反射镜，还需要克服加工高熔点高硬度金属等技术问题，但大尺寸金属单晶钨和钼制备第一镜镜面的加工和抛光比较困难，并且价格昂贵，而目前技术能力尚不能保证重复加工出高质量金属单晶第一镜。人们又提出，在高导热基体上镀金属膜，相对于单晶第一镜的制备，能够克服难以加工和抛光等技术问题，但是制备一定厚度的金属薄膜会存在附着力低，耐溅射能力差等缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现耐高能等离子体、中子及高能射线辐照结构及其方法，提高聚变装置中第一镜的光谱反射稳定性，延长其使用寿命。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
采用具有较好光谱透过率的、耐高能等离子体、中子及高能射线辐照的金属氧化材料，其面向聚变反应室，起到保护作用，称为耐溅射保护层1。其背面根据需要镀有金属薄膜或介质薄膜，形成确定光谱反射率的功能薄膜层。光从耐溅射保护层入射到功能薄膜层上，功能薄膜层具有较高的反射率，这样就构成聚变装置中所需的反射光学元件，这种结构具有较好耐溅射能力。但由于前表面受高能离子溅射，将会沉积较高的热量，如果溅射时间较长，因温度梯度等原因，其表面层会破损、炸裂。因此在镀膜面的下面，采用过渡焊接工艺，通过钎料过渡层将其焊接到金属的微通道冷却器上，解决耐溅射保护层和功能薄膜层的冷却问题，将高能粒子溅射的热量及时排出到结构体外。由于耐溅射保护层多为金属氧化材料，其导热性与金属相比较差，为了减小保护层前后的温度梯度，因此耐溅射保护层厚度小于500μm。这样其机械强度较弱，其反射面的形面主要取决于与其焊接的微通道器表面面形，焊接采用低温真空钎焊工艺，焊料厚度小于50微米，以减小反射面由应力引起的面形变化。
本发明保护层耐高能等离子体、中子及高能射线辐照，功能薄膜层具有特征光谱反射功能，微通道冷却器将保护层沉积的热量排出，这种第一镜适用于在高能等离子体、中子及高能射线辐照条件下使用，适用于作为核聚变反应装置的第一镜使用。
附图说明
图1本发明第一镜的结构示意图；
具体实施方式
发明中采用蓝宝石、白宝石、SiC晶体、单晶锗、单晶硅、CaF、石英、钇铝石榴石晶体等耐溅射、透光材料作为保护层1(基底)的备选材料，通过双面抛光，使得保护层双面达到光学镜面，双面表面粗糙度小于10nm。保护层1厚度在小于500μm，厚度越薄越有利于降低保护层的温度、减小保护层热量沉积，减小保护层的热应力损伤，保护层1越薄光学加工的难度越大。在微通道冷却器4与功能膜焊接前，需对微通道冷却器(又可称之为微通道热沉；其内通过有冷却介质，例如水)4焊接面(指对待冷却物质进行冷却的冷却面)进行光学表面的加工，既要控制表面的形面又要控制表面粗糙度，根据第一镜使用情况的不同对其面形有相应的具体要求，其表面粗糙度小于10nm。保护层1的一面镀制功能薄膜层2(说明：由于膜系不同，厚度不同，根据情况自定。)，其作用是实现对特征光反射，其既可以采用多层介质膜又可以采用金属膜，还可以采用多层介质膜加金属膜的混合膜系设计，实现对特征光的反射作用。同时在远离保护层1的一侧再镀制金属过度膜，膜层厚度小于1μm，材料一般Zr、Cr、Cu、Ti、Au、Ni等材料，因此增强功能薄膜层2与焊接钎料间的结合力，功能薄膜层2起到过度连接；经过镀膜加工过的带有前窗口保护层1特定反射功能器件，采用真空钎焊工艺，将功能薄膜层2与微通道冷却器4抛光面焊接在一起，其钎料采用锡基、铋基、铟基、铅基、镉基、锌基、金基、铝基、银基、铜基、锰基和镍基等金属钎料，钎料采用薄片结构，一般厚度小于50μm，焊接时真空度小于5x10-3Pa，焊接温度及稳定时间根据钎料特性来选择，焊接后在功能薄膜层2与微通道冷却器4之间将产生焊接钎料过渡层3，将功能薄膜层2与微通道冷却器4连接在一起，并具有好热传导功能。
例如：在ITER装置中使用的具有红外宽带光谱反射镜，先加工直径30mm，200μm后的蓝宝石双面抛光基片，表面粗糙度小于1nm(rms)，这样基片作为保护层1；在保护层1的一个抛光面上镀金薄膜，厚度在100-150nm左右，具有红外宽带光谱反射功能，满足功能需求，再在金膜表面镀铜膜200-500nm，铜膜起到过渡连接，同时具有保护金薄膜的作用；微通道水冷器采用紫铜材料制成，对其焊接面进行抛光，表面粗糙度小于10nm(rms)；最后采用真空钎焊工艺，真空焊接室压力小于5x10-3Pa，保护层1镀的功能薄膜层2和微通道冷却器4抛光面之间采用铜基(铜90％，银10％)薄片钎料焊接，钎料厚度50μm，焊接时分别从保护层1的上层面和微通道水冷器的下侧面加0.4MPa压力，作用于焊接结合面上，焊接温度720℃，焊接时间12min，焊接后温度以0.3℃/min速度降到300℃，再以3℃/min速度降到室温。这样实现了具有保护层、微通道水冷第一镜的制作。
这种具有微通有冷却水的第一镜，在核聚变装置中保护层1直接面对高能等离子体、中子轰击及高能射线辐照，保护层1具有很强的耐溅射能力，具有保护功能，避免功能薄膜层2受到损伤，而保障了功能薄膜层2对特征光谱高反射率及其稳定性，有利于反应室外的分析及探测，微通道冷却器4中通有恒温的冷却介质，能够将沉积到第一镜上的热量排出去，控制器件温度特性，因此这种反射镜设计，提高第一镜的使用寿命及其稳定性，满足核聚变装置中光学诊断对第一镜的需求。

Claims (9)

1.一种适用于托卡马克型磁约束核聚变装置中第一镜，其特征在于：
其为多层复合结构，从上至下依次包括有保护层（1）、功能薄膜层（2）、焊接钎料过渡层（3）、微通道冷却器（4）；
功能薄膜层（2）为采用真空镀膜工艺镀制到保护层（1）的一侧表面上的功能薄膜；功能薄膜层（2）与微通道冷却器（4）之间采用真空钎焊工艺，通过钎料过渡层（3）焊接连接起来，形成一体的多层复合结构；
保护层（1）采用光学双面抛光工艺加工而成，以消除其上下表面对光的散射损耗。
2.根据权利要求1所述的第一镜，其特征在于：
保护层（1）为金属氧化物材料。
3.根据权利要求1或2所述的第一镜，其特征在于：
根据反射镜对反射光谱功能需求不同，选择蓝宝石、白宝石、SiC晶体、单晶锗、单晶硅、CaF、石英或钇铝石榴石晶体中的一种或二种以上用作保护层（1）。
4.根据权利要求1所述的第一镜，其特征在于：保护层（1）厚度0.5-500μm，以减小其在工作时的温度梯度。
5.根据权利要求1所述的第一镜，其特征在于：
功能薄膜层（2）对特定光谱范围具有较高反射率，采用真空镀膜工艺，在保护层（1）表面镀膜制备而成，其成分及结构根据光谱反射的需求，采用金属薄膜、介质多层干涉膜或金属介质复合膜系。
6.根据权利要求1所述的第一镜，其特征在于：
功能薄膜层（2）除具有功能反射作用，还具有提高焊接结合力及均匀性的作用，在与钎料接触表面上，镀制Zr、Cr、Cu、Ti、Au中的一种或二种以上的材料层，作为过渡层，提高焊接效果；过渡层处于功能薄膜层和焊接钎料过渡层之间。
7.根据权利要求1所述的第一镜，其特征在于：
功能薄膜层（2）与微通道冷却器（4）之间采用真空钎焊工艺，钎料采用锡基、铋基、铟基、铅基、镉基、锌基、金基、铝基、银基、铜基、锰基和镍基中的一种或二种以上，钎料为薄片结构，厚度10-100μm，焊接后形成焊接钎料过渡层（3）。
8.根据权利要求1所述的第一镜，其特征在于：
微通道冷却器（4）采用不锈钢、铜中的一种或二种制成，其与功能薄膜层（2）的焊接面进行光学抛光，以保障焊接结合力及均匀性。
9.根据权利要求1所述的第一镜，其特征在于：
所述第一镜是指在等离子环境中直接面对等离子的光学反射镜，所述第一镜在核聚变装置中保护层直接面对高能等离子体、中子轰击及高能射线辐照。
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