CN106970101A - 一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针 - Google Patents

一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针，包括有位于前端且用于与等离子体接触的钨瓦，钨瓦与铜片紧密连接，铜片下部设置有柱热沉，柱热沉内部为空心结构，柱热沉的内腔中安装有同轴的水冷内轴，水冷内轴内部和外部分别分布有旋向相反的内螺旋片、外螺旋片，水冷内轴的下端连接有进液管，柱热沉的下端连接有出液管；冷却介质从进液管进入水冷内轴内部，通过内螺旋片向前旋转前进，直接到达柱热沉的前端内部，经过换热后再通过外螺旋片向后旋转流出，进而通过出液管导出。本发明探针安装简便、冷却效率高、绝缘性能良好、抗干扰性好、诊断准确率高，可广泛应用于聚变工程、高能物理、加速器、锅炉、压力容器、压力管道领域。

Description

一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针
技术领域
本发明涉及一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针属于聚变工程领域。
背景技术
在不同的核聚变实验托卡马克装置上，科学家先后选择石墨、碳纤维复合材料、钨等作为偏滤器靶板的面对等离子体材料，这些材料经过科学家长期实验研究，聚变界普遍认为钨或者其合金最有希望作为今后聚变堆偏滤器面向等离子体材料。限制器位形相对比较简单，它可以把等离子体与壁相互作用的区域集中到特殊设计的限制器表面，但是刮削层（中的热流与高能粒子会造成限制器材料较强的刻烛，这些来自限制器的杂质粒子很容易污染芯部等离子体。偏滤器的实质就是使托卡马克中产生些开放磁力线（面），使之形成种具有磁分离面的特殊磁场位形，在磁分离面里面是等离子体主约束区，外面就是具有开放磁力线（面）的刮削层区域。由于带电粒子沿磁场运动的速度要比横越磁场的速度大得多，从等离子体中扩散出来的粒子或从第壁处产生的杂质大都被这些开放磁力线扫到偏滤器室中去了。偏滤器巳经成为现代磁约束聚变装置的关键部件之，它是聚变装置中热流和粒子流的收集器和交换器。
装置运行期间面对等离子体材料将受到高能离子、电子和中性粒子的轰击，导致壁材料原子作为杂质进入等离子体，这也将缩短壁材料的使用寿命。除了长脉冲运行，来自等离子体的高强度粒子流、热流以及破裂、边缘局域模和起弧等瞬态事件也会对第一壁造成很大损伤。采用三探针阵列的偏滤器靶板探针诊断，可以测量偏滤器区域的电子密度、电子温度、压强、靶板表面入射粒子通量以及热通量的时空分布演化，进而为研究偏滤器物理、等离子体与器壁相互作用提供重要信息。在EAST 托卡马克装置上，以前的全石墨偏滤器靶板探针诊断为等离子体所Nature Physics、Physical Review Letters、NuclearFusion等一系列顶尖物理类科技论文的发表提供了重要实验数据，同时也为等离子体的位形控制提供了非常直观的信息，因此偏滤器靶板探针是一种非常重要的等离子体诊断基本工具。
所以，对于偏滤器和靶板的粒子流和热流分布情况的检测非常重要，目前偏滤器和靶板离子饱和流、电子温度、电子密度和热流的检测通用方法为探针检测。为提高耐高温特性，探针前端使用钨、石墨、碳纤维复合材料等耐高温材料，但不论何种材料，在面对聚变装置中1~20MW/cm2的热流量时都无法进行长时间检测，都极易在短时间内烧毁。由此，偏滤器和靶板探针的短脉冲及不能耐高温特性成为制约探针发展的主要瓶颈。
发明内容
本发明的目的就是为解决现有技术缺陷，提供一种可长时间使用的耐高温高强度偏滤器和靶板粒子流检测探针。该探针结构简单可靠，强度好，冷却效率高，工艺优良，成本低廉，能有效满足聚变工程、高能物理和加速器物理中使用的偏滤器和靶板粒子流检测探针。
本发明采用的技术方案是：
一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针，其特征在于：包括有位于前端且用于与等离子体接触的钨瓦，钨瓦与铜片紧密连接，铜片下部设置有柱热沉，柱热沉内部为空心结构，柱热沉的内腔中安装有同轴的水冷内轴，水冷内轴内部和外部分别分布有旋向相反的内螺旋片、外螺旋片，水冷内轴的下端连接有进液管，柱热沉的下端连接有出液管；冷却介质从进液管进入水冷内轴内部，通过内螺旋片向前旋转前进，直接到达柱热沉的前端内部，经过换热后再通过外螺旋片向后旋转流出，进而通过出液管导出。
所述的一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针，其特征在于：所述钨瓦安装于偏滤器缝隙或靶板孔洞中，若钨瓦安装于偏滤器缝隙中，钨瓦前部与偏滤器平齐或略高于偏滤器；若钨瓦安装于靶板孔洞中，钨瓦前部与偏滤器平齐或略高于靶板。
所述的一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针，其特征在于：所述柱热沉采用铬锆铜材料制成。
所述的一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针，其特征在于：所述柱热沉内部的空腔为内锥形腔体。
所述的一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针，其特征在于：所述水冷介质为水。
所述的一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针，其特征在于：所述水冷内轴内部为进水水道，水冷内轴外部与柱热沉之间空间为回水水道。
所述的一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针，其特征在于：所述外螺旋片为外螺旋薄片，外螺旋薄片与水冷内轴为一体结构，外螺旋薄片的外尺寸与柱热沉的空腔紧密贴合，回水水流只能从多道外螺旋薄片之间的空间流出，形成旋转出水。
所述的一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针，其特征在于：所述内螺旋片为螺旋扰流片，螺旋扰流片的旋向与外螺旋薄片的旋向相反，在进水压力的推动下，强迫进水旋转向前进入冷却柱热沉前端内部。
所述的一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针，其特征在于：所述柱热沉回水水道下部与出液管之间连接有锥拔段，锥拔段的出水口比进水口大，在进水压力的推动下，回水水道不会对回水水流造成任何阻力。
所述的一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针，其特征在于：所述进液管、出液管末端都焊接有绝缘子，绝缘子外部两端保持10kV以上的耐压等级。
所述的一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针，其特征在于：探针电信号从锥拔段由补偿导线导出。
所述的一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针，其特征在于：所述柱热沉的下端外壁上设有台阶面，柱热沉上位于偏滤器或靶板的下端面与柱热沉的台阶面之间套装有绝缘管，保护探针不受偏滤器或靶板的电位影响，便于探针电路的导出，提高诊断准确率。
本发明的优点是：
本发明探针安装简便、冷却效率高、绝缘性能良好、抗干扰性好、诊断准确率高，可广泛应用于聚变工程、核电站、高能物理、加速器、锅炉、压力容器、压力管道领域。
附图说明
图1所示为一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针截面图。
图2所示为一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针三维图。
图中：1为偏滤器或靶板，2是钨瓦，3是铜片，4是柱热沉，5为内螺旋片，6为水冷内轴，7为锥拔段，8为进液管，9为进水绝缘子，10为出水绝缘子，11为管状绝缘材料，12 为出液管。
具体实施方式
参见图1，偏滤器或靶板1安装于聚变实验装置、高能物理和加速器物理中，一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针，包括有位于前端且用于与等离子体接触的钨瓦2，钨瓦2与铜片3紧密连接，铜片3下部设置有柱热沉，钨瓦2、铜片3与柱热沉4通过特种高强度高贴合率连接方式结合为一个整体。柱热沉4外壁上设有台阶面4a，柱热沉4内部为空心结构构成内锥形腔体4b，台阶面4a压紧管状绝缘材料11至件偏滤器或靶板1下表面。柱热沉4的内腔中安装有同轴的水冷内轴6，水冷内轴6内部和外部分别分布有旋向相反的内螺旋片5、外螺旋片6a，水冷内轴6的下端连接有进液管8，柱热沉4的下端连接有出液管12；冷却介质从进液管8进入水冷内轴6内部，通过内螺旋片5向前旋转前进，直接到达柱热沉4的前端内部，经过换热后再通过外螺旋片6a向后旋转流出，进而通过出液管12导出。
钨瓦2安装于偏滤器缝隙或靶板1孔洞中，若钨瓦2安装于偏滤器缝隙中，钨瓦前部与偏滤器平齐或略高于偏滤器；若钨瓦安装于靶板孔洞中，钨瓦前部与偏滤器平齐或略高于靶板。
柱热沉4采用铬锆铜材料制成。柱热沉4内部的空腔为内锥形腔体4b。水冷介质为水。
水冷内轴6内部为进水水道，水冷内轴6外部与柱热沉4之间空间为回水水道。
外螺旋片6a为外螺旋薄片，外螺旋薄片与水冷内轴6为一体结构，外螺旋薄片的外尺寸与柱热沉4的空腔紧密贴合，回水水流只能从多道外螺旋薄片之间的空间流出，形成旋转出水。内螺旋片5为内螺旋薄片，内螺旋薄片与水冷内轴6为一体结构，在进水压力的推动下，强迫进水旋转向前进入冷却柱热沉4前端内部。
柱热沉4回水水道下部与出液管11之间连接有锥拔段7，柱热沉4的内锥形腔体4b下部与锥拔段7焊接为一个整体，锥拔段7的出水口比进水口大，在进水压力的推动下，回水水道不会对回水水流造成任何阻力。
进液管8、出液管11末端都焊接有绝缘子，分别为进水绝缘子9、出水绝缘子10，绝缘子外部两端保持10kV以上的耐压等级。锥拔段7下部有安装台阶7a和安装口7b，安装台阶7a上焊接进水绝缘子9，安装口7b上焊接出水绝缘子10，进水绝缘子9、出水绝缘子10末端还分别设有进水口9a、出水口10a。
柱热沉4上位于偏滤器或靶板1的下端面6b与柱热沉4的台阶面4a之间套装有绝缘管11。绝缘管11套在柱热沉4外部，靶板孔里，将探针与靶板绝缘开。绝缘管11下有台阶，台阶压在偏滤器或靶板1的下端面6b与4a柱热沉4的台阶面之间。
使用时，耐高温偏滤器粒子流检测探针可独立使用，也可以组合成阵列。安装后的钨瓦2前端与偏滤器或靶板1表面平齐，接受粒子流的轰击，热流和电流传递到铜片3和柱热沉4。自进水口9a口集中焊接进水集水管，冷却水流进入水冷内轴6的内腔，在内螺旋片5与水冷内轴6的空隙中旋转前进，集中冷却柱热沉4的前部内腔，出水后继续旋转前进经内锥形腔体4b和出水绝缘子10流出。钨瓦2上的电流电压信号经铜片3、柱热沉4传递到锥拔段7末端，由补偿导线引出。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通设计人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (12)

1.一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针，其特征在于：包括有位于前端且用于与等离子体接触的钨瓦，钨瓦与铜片紧密连接，铜片下部设置有柱热沉，柱热沉内部为空心结构，柱热沉的内腔中安装有同轴的水冷内轴，水冷内轴内部和外部分别分布有旋向相反的内螺旋片、外螺旋片，水冷内轴的下端连接有进液管，柱热沉的下端连接有出液管；冷却介质从进液管进入水冷内轴内部，通过内螺旋片向前旋转前进，直接到达柱热沉的前端内部，经过换热后再通过外螺旋片向后旋转流出，进而通过出液管导出。
2.根据权利要求1所述的一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针，其特征在于：所述钨瓦安装于偏滤器缝隙或靶板孔洞中，若钨瓦安装于偏滤器缝隙中，钨瓦前部与偏滤器平齐或略高于偏滤器；若钨瓦安装于靶板孔洞中，钨瓦前部与偏滤器平齐或略高于靶板。
3.根据权利要求1所述的一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针，其特征在于：所述柱热沉采用铬锆铜材料制成。
4.根据权利要求3所述的一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针，其特征在于：所述柱热沉内部的空腔为内锥形腔体。
5.根据权利要求1所述的一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针，其特征在于：所述水冷介质为水。
6.根据权利要求5所述的一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针，其特征在于：所述水冷内轴内部为进水水道，水冷内轴外部与柱热沉之间空间为回水水道。
7.根据权利要求6所述的一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针，其特征在于：所述外螺旋片为外螺旋薄片，外螺旋薄片与水冷内轴为一体结构，外螺旋薄片的外尺寸与柱热沉的空腔紧密贴合，回水水流只能从多道外螺旋薄片之间的空间流出，形成旋转出水。
8.根据权利要求6所述的一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针，其特征在于：所述内螺旋片为螺旋扰流片，螺旋扰流片的旋向与外螺旋薄片的旋向相反，在进水压力的推动下，强迫进水旋转向前进入冷却柱热沉前端内部。
9.根据权利要求6所述的一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针，其特征在于：所述柱热沉回水水道下部与出液管之间连接有锥拔段，锥拔段的出水口比进水口大，在进水压力的推动下，回水水道不会对回水水流造成任何阻力。
10.根据权利要求1所述的一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针，其特征在于：所述进液管、出液管末端都焊接有绝缘子，绝缘子外部两端保持10kV以上的耐压等级。
11.根据权利要求1所述的一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针，其特征在于：探针电信号从锥拔段由补偿导线导出。
12.根据权利要求2所述的一种主动冷却耐高温电绝缘防腐蚀粒子流热头探针，其特征在于：所述柱热沉的下端外壁上设有台阶面，柱热沉上位于偏滤器或靶板的下端面与柱热沉的台阶面之间套装有绝缘管。
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