CN106935459B - 一种长脉冲高功率离子源电极栅冷却水路及真空密封结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种高功率强流离子源及中性束注入加热技术领域，具体涉及一种长脉冲高功率离子源电极栅冷却水路及真空密封结构，包括由多层水冷电极栅及其支撑法兰平行组装而成，每层水冷电极板由两块结构相同的水冷电极栅搭接组成，以及布置在支撑法兰内部和水冷电极栅内部的冷却水路，这种水路结构不仅可以瞬时冷却电极，确保电极栅板之间电场分布的均匀一致性，还省略了连接电极与法兰的水管，省略了水管与电极的连接结构，节省了空间，降低了法兰及其整个真空腔体包括绝缘腔的大小，降低了加工成本，尤其适用于结构紧凑型离子源第一电极水路结构。
Description
技术领域
本发明属于一种高功率强流离子源及中性束注入加热技术领域，具体涉及一种长脉冲高功率离子源电极栅冷却水路及真空密封结构。
背景技术
离子源是使中性原子或分子电离，产生等离子体，并从中引出离子束流的装置。它是各种类型的离子加速器、质谱仪、电磁同位素分离器、离子注入机、离子束刻蚀装置、离子推进器以及受控聚变装置中的中性束注入器等设备的不可缺少的部件。离子源通常来说主要由等离子体发生器和电极系统组成。当束能量大于60keV时，高功率离子源电极系统通常由四层电极及其支撑法兰组成。每层电极有几百个直径的圆形截面引出孔或者宽度为毫米量级的缝型截面引出孔。面对等离子体的电极为第一电极(又可称为等离子体电极)，下面一层为第二电极(又称为梯度电极)，依次而下的是第三电极(抑制极)，第四层为地电极。第一第二电极之间电场用来引出高能离子,第二第三电极之间的电场用来加速离子，第三第四之间的电场抑制地电极区域的电子返流。当高功率离子束引出时，由于粒子间的相互左右，将会有部分高能粒子轰击到电极栅上，为了保证电极系统的长脉冲运行，高功率离子源必须考虑电极的瞬时水冷。对于在高真空，高电场强度下运行的大尺寸薄电极栅片来说，冷却水路结构需结合电极加工工艺综合考虑。
根据离子束引出的理论知识，面对等离子体的第一电极栅的厚度需要尽可能的薄，一般为3mm到4mm范围，第一电极与第二电极之间的距离为毫米量级，离子束引出区一般为几百平方厘米，引出区间的电场强度极高。为了满足较好的离子束光学原理，避免多孔电极间发生电击穿现象，在大面积引出区域的每层电极间的电场要尽可能的均匀一致，由此两层电极栅之间上下表面的平行度一般需低于0.1mm，由此电极的主动水冷水路一般均匀分布在电极栅板内部，而不是外表面上。电极栅材料一般为钼或者无氧铜，由此无论是对于多孔型的还是多缝型的大尺寸毫米量级厚的电极栅板来说，均匀分布于每列离子束引出孔之间的水路结构的实现变得非常困难。合理的水路及其连接结构，不仅可降低电极的加工工艺难度，还可以节省电极系统的总体加工成本。目前实验室用的兆瓦级中性束离子源电极栅水冷结构主要有两种类型，一种是针对短脉冲低功率的周边水冷结构，也就是冷却水路分布在电极的周边法兰上，该结构的水冷效果较差，不适合长脉冲大功率离子源的工作需求；另一种是已经使用在EAST超导托卡马克装置中性束系统上的细缝型水冷电极结构，也就是多跟细小水管并排焊接成一平面电极栅，水管与水管之间的缝隙构成离子束引出孔，电极水路与外部法兰水路的连接与密封结构采用的是小水管法兰和O型密封圈结构。该结构采用的矩形离子束引出孔不适用于大型负离子源电极系统，同时水路结构上多了数条水管及其水管小法兰，这些部件连接装配需要占用一定的空间，对于第一电极结构来说，周边的几何空间非常有限。目前我院研制的离子源主要应用在由四个离子源构成的一条中性束注入器上，由此对单个离子源整体空间结构的紧凑型要求较高，目前EAST中性束离子源第一电极的冷却结构无法适用在我院研制的中性束离子源上。由此本发明提出了一种针对圆孔型离子束引出孔电极的水路及其密封结构
发明内容
针对目前离子源水冷电极及其密封结构中存在的问题，本发明提出了一种长脉冲高功率离子源电极栅冷却水路及其真空密封结构。
本发明的技术方案是这样解决的：
一种长脉冲高功率离子源电极栅冷却水路及真空密封结构，包括由多层水冷电极栅及其支撑法兰平行组装而成，每层水冷电极板由两块结构相同的水冷电极栅搭接组成，以及布置在支撑法兰内部和水冷电极栅内部的冷却水路，所述支撑法兰内部带有2条法兰主水路与16条分法兰水路，所述水冷电极栅内部带有16条电极栅主水路与40条电极栅分水路；所述水路在水冷电极栅内部与水冷电极栅平行布置，在支撑法兰内部与支撑法兰平行布置，支撑法兰高度方向的截面为长方形，内部的2条法兰主水路与16条分法兰水路分成两组，对称布置在支撑法兰两侧的长边处，两条法兰主水路平行于长边布置，由长方形的一端的宽边延伸至长方形内，在两条法兰主水路的起始位置分别设置有进水口和出水口。
一种长脉冲高功率离子源电极栅冷却水路及真空密封结构，所述电极栅主水路与法兰分水路采用O型密封圈紧固连接；支撑法兰一侧的一条主水道分成8路法兰分水路，法兰分水路以两个水冷电极栅的拼接处为中心均匀分布，法兰分水路一对一连接到电极栅主水路上，每个电极栅主水路分出5条电极栅分水路,总共有40条电极栅分水路；冷却水从进水口侧流经两块水冷电极栅后，在水冷电极栅的出水口侧汇聚成8路电极栅主水路然后再与支撑法兰出水一侧的8路法兰分水路连接，汇聚到这一侧的法兰主水路进入到支撑法兰出水口。
一种长脉冲高功率离子源电极栅冷却水路及真空密封结构，所述水冷电极栅的厚度为3.5mm±0.1mm，水冷电极栅的平面尺寸为348mm*300mm，平面度0.08mm；在水冷电极栅上分布有直径大小为6.9mm的282个圆孔型离子束引出孔，每两排离子束引出孔之间分布冷却水路，离子束引出孔壁面距离冷却水路壁面的尺寸最小值为1mm；
每层电极板有两块结构相同的水冷电极栅搭接而成，搭接角度177.8度，单块水冷电极栅2的每个引出孔的轴向与水冷电极栅水平面垂直，与支撑法兰水平面的角度为88.9度。
一种长脉冲高功率离子源电极栅冷却水路及真空密封结构，所述支撑法兰材料为316L不锈钢，外形平面尺寸886mm*506mm，厚度30mm，法兰主水路截面直径12mm，水管长度640mm，分水路共8路，截面直径4mm，法兰分水路周边直径为17mm的圆周上等角度分布四个M4螺丝孔，用于水路连接时的密封圈压紧。
一种长脉冲高功率离子源电极栅冷却水路及真空密封结构，所述的每块水冷电极栅上的电极栅分水路共20路，每五路组成一电极栅主水路，共有四路电极栅主水路，四路电极栅主水路的直径4mm，分布在在水冷电极栅两端；
电极栅主水路在水冷电极栅两端区域由水冷电极栅的水平方向变为垂直方向，在水路连接面上与法兰分水路通过O型氟橡胶密封圈，利用螺栓直接与支撑法兰压紧连接；
在水路连接面上每一出入口周边制作外直径11mm，内直径为6mm的密封槽，同时在密封槽外围以出入口轴心为中心的直径为17mm的圆周上等角度分布四个M4紧固螺栓，与支撑法兰上的每条法兰分水路周围的四个螺纹孔对应，在几何空间上避开水冷电极栅上的电极栅主水路和数十条分电极栅分水路，同时保证电极栅主水路和电极栅分水路的壁厚都大于1mm。
本发明的有益效果在于：
这种水路结构不仅可以瞬时冷却电极，确保电极栅板之间电场分布的均匀一致性，还省略了连接电极与法兰的水管，省略了水管与电极的连接结构，节省了空间，降低了法兰及其整个真空腔体包括绝缘腔的大小，降低了加工成本，尤其适用于结构紧凑型离子源第一电极水路结构。
附图说明
图1为离子源四电极及其支撑法兰
图2为大功率离子源水冷电极栅及其支撑法兰的三维视图
图3为分布在电极栅及其法兰上的水路结构俯视图
图4为电极栅水路与法兰水路及其连接面的侧视图
图中：1、支撑法兰；2、水冷电极栅；3、进水口；4、出水口；5、法兰主水路；6、法兰分水路；7、电极栅主水路；8、电极栅分水路；9、水路连接面。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
大功率离子源电极系统由多层水冷电极栅2及其支撑法兰1平行组装而成，每层水冷电极板由两块结构相同的水冷电极栅2搭接组成，第一层电极栅面积最大，厚度最小，本实施例以HL-2M托克马克中性束离子源圆孔型四电极系统的第一电极水路结构为例。
这一水路结构由两个主要部件组成，一个是内部带有2条主水路与16条分水路的支撑法兰1，另一个是内部带有16条主水路与40条分水路的大面积薄水冷电极栅2。所述水路在水冷电极栅2内部与水冷电极栅2平行布置，在支撑法兰1内部与支撑法兰平行1布置。俯视支撑法兰1为长方形，内部的2条主水路与16条分水路分成两组，对称布置在支撑法兰1两侧的长边处，两条法兰主水路5平行于长边布置，由长方形的一端的宽边延伸至长方形内，在两条法兰主水路的起始位置分别设置有进水口3和出水口4。
电极栅主水路7与法兰分水路6的连接方式采用的是O型密封圈紧固连接。水路结构如图3所示，支撑法兰1一侧的一条主水道分成8路法兰分水路6，然后法兰分水路6以两个水冷电极栅2的拼接处为中心均匀分布，法兰分水路6一对一连接到电极栅主水路7上，每个电极栅主水路7分出5条电极栅分水路8，总共有40条电极栅分水路8；冷却水从进水口3一侧流经两块水冷电极栅2后，在水冷电极栅2另一侧汇聚成8路电极栅主水路7然后再与支撑法兰1另一端的8路法兰分水路6连接，汇聚到这一端的法兰主水路5进入到支撑法兰出水口4。
冷却水从与支撑法兰1一侧的法兰主水路5连接的进水口3流入，依次流经法兰主水路5、法兰分水路6、电极栅主水路7、电极栅分水路8；再依次流经另一侧的电极栅主水路7、法兰分水路6、法兰主水路5，最后从出水口4流出。
为了使得离子束在引出方向上具有一定的会聚角度，每层电极板有两块结构相同的水冷电极栅2搭接而成，搭接角度177.8度。单块水冷电极栅2的每个引出孔的轴向与水冷电极栅2水平面垂直，与支撑法兰1水平面的角度为88.9度。
支撑法兰1材料为316L不锈钢，外形平面尺寸886mm*506mm，厚度30mm，法兰主水路5截面直径12mm，水管长度640mm，分水路共8路，截面直径4mm，法兰分水路6周边直径为17mm的圆周上等角度分布四个M4螺丝孔，用于水路连接时的密封圈压紧，所有水路采用深孔钻工艺，与支撑法兰1整体加工成型。
水冷电极栅2材料为无氧铜，水冷电极栅2厚度3.5mm±0.1mm，水冷电极栅2的平面尺寸为348mm*300mm，平面度0.08mm。在引出区域内分布有主直径大小为6.9mm的282个圆孔型离子束引出孔，每两排离子束引出孔之间分布冷却水路，离子束引出孔壁面距离冷却水路壁面的尺寸最小值为1mm，电极栅分水路8截面直径1.8mm±0.2mm，水管长度320mm，水路轴心之间的距离10.35mm。每块水冷电极栅2上的电极栅分水路8共20路，每五路组成一电极栅主水路7，共有四路电极栅主水路7，四路电极栅主水路7的直径4mm，分布在在水冷电极栅2两端。电极栅主水路7在水冷电极栅2两端区域由水冷电极栅2的水平方向变为垂直方向，如图4所示；在水路连接面9上与法兰分水路6通过O型氟橡胶密封圈，利用螺栓直接与支撑法兰1压紧连接。
由此在水路连接面9上每一出入口周边制作外直径11mm，内直径为6mm的密封槽，同时在密封槽外围以出入口轴心为中心的直径为17mm的圆周上等角度分布四个M4紧固螺栓，与支撑法兰1上的每条法兰分水路6周围的四个螺纹孔对应，在几何空间上避开水冷电极栅2上的电极栅主水路7和数十条分电极栅分水路8，同时保证电极栅主水路7和电极栅分水路8的壁厚都大于1mm。
水冷电极栅2、水冷电极栅主水路7和水冷电极栅分水路8以及数百个离子束引出孔采用整体加工制作，四个螺栓紧固压紧密封圈时，确保水冷电极栅2与支撑法兰1装配面紧密配合。
Claims (5)
1.一种具有冷却水路及真空密封结构的长脉冲高功率离子源电极栅系统，包括由多层水冷电极栅(2)及其支撑法兰(1)平行组装而成，每层水冷电极板由两块结构相同的水冷电极栅(2)搭接组成，以及布置在支撑法兰(1)内部和水冷电极栅(2)内部的冷却水路，其特征在于：所述支撑法兰(1)内部带有2条法兰主水路与16条分水路，所述每块水冷电极栅(2)内部带有4条电极栅主水路(7)与20条电极栅分水路(8)；所述电极栅主水路与电极栅分水路均在水冷电极栅(2)内部与水冷电极栅(2)平行布置，在支撑法兰(1)内部与支撑法兰平行(1)布置，俯视支撑法兰(1)为长方形，内部的2条法兰主水路(5)与16条分法兰水路(6)分成两组，对称布置在支撑法兰(1)两侧的长边处，两条法兰主水路(5)平行于长边布置，由长方形的一端的宽边延伸至长方形内，在两条法兰主水路中的一条法兰主水路起始位置设置有进水口，另外一条法兰主水路的起始位位置有出水口。
2.如权利要求1所述的一种具有冷却水路及真空密封结构的长脉冲高功率离子源电极栅系统，其特征在于：所述电极栅主水路(7)与法兰分水路(6)采用O型密封圈紧固连接；支撑法兰(1)进水口一侧的一条主水路分成8路法兰分水路(6)，所述8路法兰分水路(6)以两个水冷电极栅(2)的拼接处为中心均匀分布，法兰分水路(6)一对一连接到电极栅主水路(7)上，每个电极栅主水路(7)分出5条电极栅分水路(8)，总共有40条电极栅分水路(8)；冷却水从进水口(3)侧流经两块水冷电极栅(2)后，在水冷电极栅(2)的出水口(4)侧汇聚成8路电极栅主水路(7)然后再与支撑法兰(1)出水口(4)一侧的8路法兰分水路(6)连接，汇聚到这一侧的法兰主水路(5)进入到支撑法兰出水口(4)。
3.如权利要求1所述的一种具有冷却水路及真空密封结构的长脉冲高功率离子源电极栅系统，其特征在于：所述水冷电极栅(2)的厚度为3.5mm±0.1mm，水冷电极栅(2)的平面尺寸为348mm*300mm，平面度0.08mm；在水冷电极栅(2)上分布有主直径大小为6.9mm的282个圆孔型离子束引出孔，其中，上述离子束引出孔分布成多个排，每两排离子束引出孔之间分布冷却水路，离子束引出孔壁面距离冷却水路壁面的尺寸最小值为1mm；
每层电极板有两块结构相同的水冷电极栅(2)搭接而成，搭接角度177.8度，单块水冷电极栅(2)的每个引出孔的轴向与水冷电极栅(2)水平面垂直，与支撑法兰(1)水平面的角度为88.9度。
4.如权利要求1所述的一种具有冷却水路及真空密封结构的长脉冲高功率离子源电极栅系统，其特征在于：所述支撑法兰(1)材料为316L不锈钢，外形平面尺寸886mm*506mm，厚度30mm，法兰主水路(5)截面直径12mm，水管长度640mm，分水路共8路，截面直径4mm，法兰分水路(6)周边直径为17mm的圆周上等角度分布四个M4螺丝孔，用于水路连接时的密封圈压紧。
5.如权利要求1所述的一种具有冷却水路及真空密封结构的长脉冲高功率离子源电极栅系统，其特征在于：所述的每块水冷电极栅(2)上的电极栅分水路(8)共20路，每五路组成一电极栅主水路(7)，共有四路电极栅主水路(7)，四路电极栅主水路(7)的直径均为4mm，分布在在水冷电极栅(2)两端；
电极栅主水路(7)在水冷电极栅(2)两端区域由水冷电极栅(2)的水平方向变为垂直方向，在水路连接面(9)上与法兰分水路(6)通过O型氟橡胶密封圈，利用螺栓直接与支撑法兰(1)压紧连接；
在水路连接面(9)上每一出入口周边制作外直径11mm，内直径为6mm的密封槽，同时在密封槽外围以出入口轴心为中心的直径为17mm的圆周上等角度分布四个M4紧固螺栓，与支撑法兰(1)上的每条法兰分水路(6)周围的四个螺纹孔对应，在几何空间上避开水冷电极栅(2)上的电极栅主水路(7)和数十条分电极栅分水路(8)，同时保证电极栅主水路(7)和电极栅分水路(8)的壁厚都大于1mm。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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