CN107024946A - 基于粒子加速器材料辐照的高精度温控装置及其温控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于粒子加速器的材料辐照高精度温控方法及其温控装置。该温控装置包括红外测温单元；电阻加热单元；水冷和气冷单元；信号控制/传输单元；样品台及其上辐照样品等。样品台将电阻加热、水冷及气冷单元进行集成组合，对辐照样品实现同步加热与冷却调控。利用本发明温控装置实现其温控方法原理是：根据该装置实时测量材料辐照温度；经计算机程控系统连接的各指令信号传输线，控制电阻加热丝功率、冷却水和冷却气流量，自动同步调节电阻加热单元、水冷与气冷单元进行温度调控。本发明所述的温控装置及其温控方法，能够实现对粒子加速器材料辐照温度的实时、自动与精确控制，大幅度提高粒子加速器材料辐照的温控精度。

Description

基于粒子加速器材料辐照的高精度温控装置及其温控方法

技术领域

本发明属于材料离子辐照研究与应用领域，具体涉及一种基于粒子加速器材料辐照的高精度温度控制装置及其温度控制方法。

背景技术

能源危机与环境污染是当今世界面临的两大难题。开发可持续发展的、绿色清洁的核能是解决上述两大难题的重要手段。在核能研发与应用中，核反应堆的结构与功能材料面临着苛刻的辐照环境，因此抗辐照性能则成为了反应堆材料选用的关键评价指标。

考核反应堆材料的抗辐照性能主要包括两类辐照方法：即反应堆中子辐照方法与基于粒子加速器离子辐照方法。相对于反应堆中子辐照方法，基于粒子加速器进行的离子辐照方法具有耗时短、成本低、辐照损伤程度可控等优点而被广泛应用于材料抗辐照性能评价。

众所周知，辐照温度对材料辐照性能具有极为重要的影响，在材料离子辐照考核中，对辐照材料样品的温度控制要求十分严格，包括微小的温度波动、快速的控温响应等。目前，在粒子加速器材料辐照的温控方面，大多装置仍然采用单一电阻加热方式的温控系统，仅仅通过控制电阻加热功率来实时调控辐照材料样品的温度。这种温控方法的控温精度较低、温度波动大、调温缓慢，尤其是对降温过程没有调控能力，因此难以满足高精度控温的要求。近年来，也有人开发设计了电阻加热与水冷却、电阻加热与气冷却等组合方式的温控系统，可以明显地提高粒子加速器辐照材料的温控性能。但是，这些方法的控温精度仍有所欠缺，仍然不能满意地达到粒子加速器材料辐照的精确温控要求，有待进一步提高。另一方面，尽管在其它工业应用领域中的温控技术已发展到了较高的水平，但是，无法将它们直接移植到基于粒子加速器的材料辐照温控技术应用中。究其原因在于，利用粒子加速器进行材料的离子辐照实验具备以下特点。例如，离子辐照仅发生在材料近表面区域纳米至微米量级区域，因此辐照温度不同于材料样品整体温度；其次，辐照离子本身具备能量，辐照过程中离子束将诱导材料样品发生温度波动等。基于这些特点，使得应用于其它行业领域的温控装置和方法均难以适用于基于粒子加速器材料辐照的温度调控。

发明内容

本发明的目的就是针对以上所述材料离子辐照的技术特点与精确控温要求，提供一种基于粒子加速器材料辐照的高精度温度控制装置及其温度控制方法。该温度控制装置包括红外测温单元、电阻加热单元、水冷却单元和气冷却单元、样品台和其上的辐照材料样品、信号控制/传输单元、以及计算机程控系统等；样品台将电阻加热、水冷却及气冷却单元进行集成组合，对辐照样品实现同步的加热与冷却调控；通过该温度控制装置实现对粒子加速器材料辐照温度的实时、自动与精确控制的方法。

为实现上述目的，本发明采用由以下技术措施构成的技术方案来实现的。

本发明所述一种基于粒子加速器材料辐照的高精度温控方法，包括以下步骤：

(1)将样品台中高导热金属填满铜传热台上端面的圆形凹槽，并将辐照材料样品用固定螺栓固定在铜传热台上，确保辐照材料样品与铜传热台紧密接触；

(2)之后将样品台安装到离子辐照真空室端口并对真空室抽真空备用；在离子辐照过程中，通过红外测温通道紧密连接的红外玻璃窗口和安装在红外玻璃窗口上的红外热成像仪直接测量得到辐照材料样品的辐照温度；随后，将此辐照温度数据通过辐照温度数据传输线传送给计算机程控系统，并将测量辐照温度值与实验预设温度值作对比，预设温度范围为25℃～600℃，并自动选择以下七种方案中的任一种进行处理：

(A)当辐照温度值高于预设值50℃及以上范围时，此时降低电阻加热功率、增加冷却水流量与冷却气流量；

(B)当辐照温度值高于预设值10℃～50℃范围内时，此时仅增加冷却水流量与冷却气流量；

(C)当辐照温度值高于预设值5℃～10℃范围内时，此时仅增加冷却气流量；

(D)当辐照温度值低于预设值50℃及以上范围时，此时增加电阻加热功率、降低冷却水流量与冷却气流量；

(E)当辐照温度值低于预设值10℃～50℃范围内时，此时仅降低冷却水流量与冷却气流量；

(F)当辐照温度值低于预设值5℃～10℃范围内时，此时仅降低冷却气流量；

(G)当辐照温度值与预设值的差异在±5℃范围内时，此时不改变电阻加热功率、冷却水流量与冷却气流量；

(3)在选择了上述任一种方案处理后，计算机程控系统便分别通过电阻加热功率指令信号传输线、冷却水流量指令信号传输线、冷却气流量指令信号传输线向电阻功率调控器、带有流量控制计的冷水机、带有流量控制计的高压气瓶发送其指令信号；同步调控电阻加热功率、冷却水流量、冷却气流量，从而实现对辐照材料样品的精确控温调控；

(4)最后，在辐照材料样品温度稳定后，再次不断循环重复上述测温与控温过程，由此可以实现对粒子加速器材料辐照温度的实时、自动与精确控制。

本发明依据上述所述一种基于粒子加速器材料辐照的高精度温控方法，提供一种实现该方法的温度装置，包括离子辐照真空室、加速器离子束管道、辐照离子束流、红外测温通道；红外测温单元、电阻加热单元、水冷却单元、气冷却单元、信号控制/传输单元、样品台和其上的辐照材料样品；在辐照离子束流终端的离子辐照真空室端口布置红外测温通道与样品台安装端口；

所述红外测温单元包括与红外测温通道紧密连接的红外玻璃窗口和安装在红外玻璃窗口上的红外热成像仪；即红外玻璃窗口用于隔离离子辐照真空室与红外热成像仪；红外热成像仪通过辐照温度数据传输线与计算机程控系统连接；

所述电阻加热单元包括电阻功率调控器、样品台内的电阻加热丝、电流输入线和电流输出线；电阻功率调控器一端连接样品台内的电流输入线和电流输出线，另一端通过电阻加热功率指令信号传输线与计算机程控系统连接；

所述水冷却单元包括带有流量控制计的冷水机、水流环形冷却管道、进水管道和出水管道；带有流量控制计冷水机一端连接样品台内进水管道和出水管道；其另一端通过冷却水流量指令信号传输线连接计算机程控系统；所述带有流量控制计冷水机通过进水管道将冷却水输入水流环形冷却管道，再经出水管道回到带有流量控制计的冷水机进行循环；

所述气冷却单元包括带有流量控制计的高压气瓶、气流环形冷却管道、进气管道和出气管道；带有流量控制计的高压气瓶一端连接样品台上的进气管道；样品台上的出气管道与大气相通；带有流量控制计的高压气瓶另一端通过冷却气流量指令信号传输线连接计算机程控系统；带有流量控制计的高压气瓶通过进气管道将冷却气体输入气流环形冷却管道，再通过出气管道排放到大气环境中；

所述信号控制/传输单元包括计算机程控系统，其通过连接的辐照温度数据传输线，以获得红外热成像仪测量的辐照材料样品的辐照温度；通过连接的电阻加热功率指令信号传输线、冷却水流量指令信号传输线、冷却气流量指令信号传输线分别向电阻功率调控器，带有流量控制计的冷水机，带有流量控制计的高压气瓶发送指令信号；用于控制电阻加热功率、冷却水流量和冷却气流量。

上述技术方案中，所述样品台包括样品台不锈钢筒体、铜传热台及其上端面的圆形凹槽、圆形凹槽内的高导热金属，及固定辐照材料样品在铜传热台上的固定螺栓。

上述技术方案中，所述样品台不锈钢筒体上端设置为封闭的中空圆柱形不锈钢圆筒，其内布置电阻加丝，电流输入线和电流输出线；布置进水管道与出水管道、进水口与出水口、水流环形冷却管道；布置进气管道与出气管道；样品台不锈钢筒体安装在离子辐照真空室的端口；并与离子辐照真空室壁紧密结合，保持真空隔离。

上述技术方案中，所述铜传热台内布置的进气管道与出气管道、进气口与出气口、气流环形冷却管道；铜传热台内的进气管道与出气管道和样品台不锈钢筒体内的进气管道与出气管道保持连通。

上述技术方案中，所述高导热金属为低熔点、高沸点、高热导率的金属铟，将其放置在铜传热台上端面的圆形凹槽内，作为辐照材料样品与样品台之间的导热介质。

上述技术方案中，所述电阻加热丝放置在样品台不锈钢筒体的内部顶端；电阻加热丝以同心圆圈方式在同一平面上缠绕排布；调节电阻功率调控器可以控制输出电路中的电流。

上述技术方案中，所述水流环形冷却管道安装在样品台不锈钢筒体的内部顶端，以圆形方式分布在电阻加热丝的外边，其二者处于同一平面。

上述技术方案中，所述气流环形冷却管道安装在样品台不锈钢筒体上的铜传热台的内部，以圆形方式分布在铜传热台的圆形凹槽周围；气流通过气流环形冷却管道上的进气口进入进气管道，再经过其上的出气口进入出气管道，最后排放到大气环境中。

上述技术方案中，所述红外玻璃窗口采用高透光率的透红外锗玻璃做成。

本发明所述的温控装置用于实现其温控方法的原理是：根据该温控装置实时测量粒子加速器材料的辐照温度；该辐照温度通过计算机程控系统连接的各指令信号传输线，控制温控装置中电阻加热丝加热功率、冷却水和冷却气流量，自动同步调节电阻加热单元、水冷单元与气冷单元进行温度调控。就能够实现对粒子加速器材料辐照温度的实时、自动与精确控制，从而大幅度提高粒子加速器材料辐照的温控精度。

本发明所述的基于粒子加速器材料辐照的高精度温控装置及其温控方法所具有的优点及有益的技术效果如下：

1、本发明所述的温控方法及其温控装置中，采用了电阻加热单元、水冷却单元及气冷却单元的集成组合方式；通过增加水冷却单元与气冷却单元的设置，根据辐照材料样品的温度与预设定温度的对比，调整水冷却单元或气却冷单元的水流量或气流量，可以有效减弱单一电阻加热方式导致的温度过冲效应，降低辐照材料样品的温度波动，从而提高其控温精度；由于冷却水与冷却气的导热率差异以及冷却水与冷却气管道的布局设计，水冷却单元与气冷却单元的冷却效率也不同；由此冷却效率的不同与差异，可以实现对辐照材料样品的辐照温度的粗调控与微调控，也有助于进一步提高控温精度。

2、本发明所述的温控方法及其温控装置中，其红外热成像仪直接测量的是辐照材料样品的近表面温度，因此能准确反映真实的材料辐照温度，并以此作为控温标准，由计算机程控系统向电阻加热单元与水冷却单元反馈的控制指令信号，从而能准确调控辐照材料样品的辐照温度。因此，本发明的温控方法及其温控装置具备高的控温精度。

3、本发明所述的温控方法及其温控装置中，其计算机程控系统分别通过辐照温度数据传输线、电阻加热功率指令信号传输线、冷却水流量指令信号传输线、冷却气流量指令信号传输线将红外测温单元与电阻加热单元、水冷却单元及气冷却单元进行了自动化程控集成，因此具有控温响应速度快的优点。

4、本发明所述的温控方法及其温控装置中，所述计算机程控系统不仅分别将装置中各单元进行了自动化程控集成；同时，采用高导热金属作为辐照材料样品与样品台之间的传热介质，使得传热速度快、温度梯度小，进一步使得对辐照材料样品的温度调节速度更快；气流环形冷却管道布置在铜传热台内，而水流环形冷却管道布置在样品台不锈钢筒体内，可以进一步提高辐照材料样品的温控响应速度。因此，本发明的温控方法及其温控装置具有温控响应速度快的优点。

5、本发明所述的温控方法及其温控装置中，是通过计算机程序控制系统进行自动测温与控温处理，具备智能化特征，不仅方便工作人员进行操作；同时，能轻松实现实时、同步、自动地进行控温，可以全过程对辐照材料样品进行精确温度控制。

附图说明

图1本发明所述基于粒子加速器材料辐照的高精度温控装置的整体结构示意图；

图2本发明图1中所述高精度温控装置中样品台的侧视结构示意图；

图3本发明图1中所述高精度温控装置中样品台的断面结构示意图。

图中，1—离子辐照真空室；2—加速器离子束管道；3—辐照离子束流；4—红外测温通道；5—红外玻璃窗口；6—红外热成像仪；7—电阻功率调控器；8—电流输入线；9—电流输出线；10—带有流量控制计的冷水机；11—进水管道；12—出水管道；13—带有流量控制计的高压气瓶；14—进气管道；15—出气管道；16—样品台；17—辐照材料样品；18—计算机程控系统；19—辐照温度数据传输线；20—电阻加热功率指令信号传输线；21—冷却水流量指令信号传输线；22—冷却气流量指令信号传输线；23—样品台不锈钢筒体；24—铜传热台；25—固定螺栓；26—圆形凹槽；27—高导热金属；28—电阻加热丝；29—水流环形冷却管道；30—进水口；31—出水口；32—气流环形冷却管道；33—进气口；34—出气口；35—不锈钢筒体23的外壁；36—不锈钢筒体23的内壁；37—铜传热台24内的圆形凹槽壁。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详细说明，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明公开的内容，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下还可以其他实施例的方式实施本发明，这些实施例的实施方式均属于本发明所保护的范围。

本发明所述的一种实现基于粒子加速器材料辐照的高精度温控方法采用的温控装置，如图1所示的整体结构图，以及如图2和图3所示的样品台侧视结构图和断面结构图；该温控装置包括离子辐照真空室1、加速器离子束管道2、辐照离子束流3、红外测温通道4；红外测温单元、电阻加热单元、水冷却单元和气冷却单元、信号控制/传输单元、样品台16和其上的辐照材料样品17；在粒子加速器的辐照离子束流终端的离子辐照真空室1端口布置红外测温通道4与样品台16的安装端口。

所述红外测温单元包括红外玻璃窗口5和红外热成像仪6；两者均安装在红外测温通道4的外端面，即红外热成像仪6安装在离子辐照真空室1端口布置的红外测温通道4外端口相连接的红外玻璃窗口5上，红外玻璃窗口5用于隔离离子辐照真空室1与红外热成像仪6；同时，红外热成像仪6通过辐照温度数据传输线19与计算机程控系统18连接；在离子辐照过程中，红外热成像仪6接收辐照材料样品17表面发射的红外射线，经转化为辐照温度数据，并通过辐照温度数据传输线(19)送入计算机程控系统18处理，从而实时测量离子辐照真空室1内辐照材料样品的辐照温度。

所述电阻加热单元包括电阻功率调控器7、电阻加热丝28、电流输入线8和电流输出线9；电阻功率调控器7一端与样品台不锈钢筒体23内布置的电流输入线8和电流输出线9连接，其另一端通过电阻加热功率指令信号传输线20与计算机程控系统18连接；电阻加热丝28放置在样品台不锈钢筒体23的内部顶端，电阻加热丝28以同心圆圈方式在同一平面上缠绕布置；电阻功率调控器7用于控制电阻输出功率对样品台不锈钢筒体23加热，即在不进行水冷却和气冷却的条件下对辐照材料样品加热，其最高温度可达600℃。

所述水冷却单元包括带有流量控制计的冷水机10、水流环形冷却管道29、进水管道11和出水管道12；带有流量控制计的冷水机10一端与样品台不锈钢筒体23内布置的进水管道11和出水管道12连接；带有流量控制计的冷水机10另一端通过冷却水流量指令信号传输线21与计算机程控系统18连接；所述带有流量控制计的冷水机10通过进水管道11将冷却水输入水流环形冷却管道29，再经过出水管道12回到带有流量控制计的冷水机10进行循环；水流环形冷却管道29放置在样品台不锈钢筒体23的内部顶端，以圆形方式分布在电阻加热丝28的外边，其二者处于同一平面。

所述气冷却单元包括带有流量控制计的高压气瓶13、气流环形冷却管道32、进气管道14和出气管道15；带有流量控制计的高压气瓶13一端与样品台不锈钢筒体23内布置的进气管道14连接，样品台不锈钢筒体23内布置的出气管道15与大气相通；带有流量控制计的高压气瓶13另一端通过冷却气流量指令信号传输线22与计算机程控系统18连接；带有流量控制计的高压气瓶13通过进气管道14将冷却气体输入气流环形冷却管道32，之后通过出气管道15排放到大气环境中；所述气流环形冷却管道32在铜传热台24的内部，以圆形方式分布在铜传热台24的圆形凹槽26周围。

所述信号控制/传输单元包括计算机程控系统18、辐照温度数据传输线19、电阻加热功率指令信号传输线20、冷却水流量指令信号传输线21、冷却气流量指令信号传输线22；所述计算机程控系统18通过连接的辐照温度数据传输线19获得红外热成像仪6测量的辐照材料样品17的辐照温度；然后，计算机程控系统18通过连接的电阻加热功率指令信号传输线20、冷却水流量指令信号传输线21、冷却气流量指令信号传输线22分别向电阻功率调控器7、带有流量控制计的冷水机10、带有流量控制计的高压气瓶13发送指令信号；用于控制电阻加热功率、冷却水流量和冷却气流量。

计算机程控系统18包括商用的计算机与信号传输线路的转换部件，用于信号转换与传输。

所述样品台16包括样品台不锈钢筒体23、铜传热台24、固定螺栓25、圆形凹槽26和高导热金属27，所述样品台不锈钢筒体23上端面设置为封闭的中空圆柱形不锈钢圆筒，该不锈钢圆筒内布置的电流输入线8、电流输出线9、电阻加热丝28、进水管道11与出水管道12、进水口30与出水口31；水流环形冷却管道29、进气管道14、出气管道15；样品台不锈钢筒体23安装在离子辐照真空室1的端口，并与真空室壁紧密结合，保持真空隔离；铜传热台24内布置有进气管道14与出气管道15、进气口33与出气口34；气流环形冷却管道32；铜传热台24与样品台不锈钢筒体23紧密接触，且铜传热台24内进气管道14与出气管道15与样品台不锈钢筒体23内的进气管道14与出气管道15保持连通；固定螺栓25用于将辐照材料样品17紧密固定在铜传热台24上。高导热金属27放置在铜传热台24上端面的圆形凹槽26内，作为导热介质，需要将高导热金属填充满圆形凹槽。

实施例

本实施例所述一种基于粒子加速器材料辐照的高精度温控方法采用所述的温控装置来实现，其操作步骤按照前面所述步骤进行。

本实施例中，所用粒子加速器为2×3MV型商用直线串列式粒子加速器，在其离子辐照束流终端的真空室1中布置红外测温通道4；

所用红外热成像仪6由FLIR公司提供，产品型号是A655sc，其测温范围为室温至1000℃；经过校正，红外测温单元对材料样品辐照温度的测温精度≤1～5℃；

所用红外玻璃窗口5采用高透光率的透红外锗玻璃；

所用电阻功率调控器7采用国产商用的加热炉功率控制器，额定功率6kW，用于控制电阻输出功率对样品台加热，在不进行水和气冷却的条件下对辐照材料样品加热，最高温度可达600℃；

所用带有流量控制计的冷水机10的冷却水温度范围在15℃～45℃，可任意调节，控制精度±1℃，最大水流量50L/分钟，可任意调节，控制精度为0.5L/分钟；

所用带有流量控制计的高压气瓶13采用氮气作为气源，气体流量的可调范围为10sccm～500sccm，控制精度为10sccm；

所用样品台不锈钢筒体23为一端封闭的中空圆柱形耐热不锈钢圆筒，不锈钢筒体外壁35的直径是20cm，不锈钢筒体内壁36的直径是14cm，其顶部封闭端的厚度6cm；

所用铜传热台24直径20cm、厚度2cm，圆形凹槽26的铜传热台内圆形凹槽壁37的直径为12cm，凹槽的深度1cm；

所有的气冷管道内径为0.5cm，所有的水冷管道内径为0.8cm；气流环形冷却管道32离圆形凹槽26的径向距离为1.5cm，而水流环形冷却管道29离电阻加热丝28外圈的径向距离为3cm；

所用高导热金属27为金属铟；

所用计算机程控系统18包括商用的计算机与信号传输线路的转换部件，用于信号转换与传输，采用自编程序实现计算机程控系统控制。

所用辐照材料样品17为Zr-4合金圆片，其直径为18cm、厚度为0.2cm。

本实施例所述一种基于粒子加速器材料辐照的高精度温控方法，结合图1-图2安装连接好各元器件及各部件，其具体操作步骤如下：

(1)将样品台16中样品台不锈钢筒体23上端不锈钢圆筒中高导热金属铟27填满铜传热台24上端面的圆形凹槽26，并将辐照材料样品17Zr-4合金圆片用固定螺栓25固定在铜传热台24上，确保辐照材料样品Zr-4合金圆片与铜传热台24紧密接触；防止升温过程中金属铟液化后溢出；

(2)之后将样品台16安装到直线串列式粒子加速器的离子辐照真空室1端口中，并抽真空至真空度小于1×10^-5Pa；在离子辐照过程中，通过红外测温通道4，与安装在红外玻璃窗口5的红外热成像仪6直接测量得到辐照材料样品的辐照温度；随后，红外热成像仪6将此辐照温度数据通过辐照温度数据传输线19传送给计算机程控系统18，并将测量的辐照温度值与实验预先设定的温度值进行对比；

本实施例中辐照实验的预先设定温度为350℃；在离子辐照开始之前，预先对辐照材料样品进行升温到此设定温度值；通过计算机程控系统18分别通过电阻加热功率指令信号传输线20、冷却水流量指令信号传输线21、冷却气流量指令信号传输线22分别向电阻功率调控器7、带有流量控制计的冷水机10、带有流量控制计的高压气瓶13发送指令信号，同步调控电阻加热丝28加热功率、冷却水流量及冷却气流量，对辐照材料样品17进行加热升温；同时，红外热成像仪6通过红外测温管道4与红外玻璃窗口5测量Zr-4合金圆片样品的温度；当Zr-4合金圆片样品的温度达到设定温度值350℃后，便启动粒子加速器对Zr-4合金圆片样品进行离子辐照。由于辐照过程中，存在离子束加热、束流波动、电阻加热波动、样品台部件传热系数变化、Zr-4合金圆片样品热物理性质变化等各种效应，因此Zr-4合金圆片样品的辐照温度会发生改变。当Zr-4合金圆片表面辐照温度改变时，红外热成像仪6实时地将新的辐照温度值通过辐照温度数据传输线19传送给计算机程控系统18，后者将对比测量的辐照温度值与预先设定温度值350℃，自动地选择以下七种方案中的一种进行处理：

(A)当辐照材料Zr-4合金圆片样品的辐照温度≥400℃时，此时降低电阻加热功率、增加冷却水流量与冷却气流量；

(B)当辐照材料Zr-4合金圆片样品的辐照温度在360℃～400℃范围内时，此时仅增加冷却水流量与冷却气流量；

(C)当辐照材料Zr-4合金圆片样品的辐照温度在355℃～360℃范围内时，此时仅增加冷却气流量；

(D)当辐照材料Zr-4合金圆片样品的辐照温度≤300℃时，此时增加电阻加热功率、降低冷却水流量与冷却气流量；

(E)当辐照材料Zr-4合金圆片样品的辐照温度在340℃～300℃范围内时，此时仅降低冷却水流量与冷却气流量；

(F)当辐照材料Zr-4合金圆片样品的辐照温度在345℃～350℃范围内时，此时仅降低冷却气流量；

(G)当辐照材料Zr-4合金圆片样品的辐照温度在345℃～355℃范围内时，此时不改变电阻加热功率、冷却水流量与冷却气流量。

(3)在计算机程控系统18选择了上述任一种处理方案后，便分别通过电阻加热功率指令信号传输线20、冷却水流量指令信号传输线21、冷却气流量指令信号传输线22向电阻功率调控器7、带有流量控制计的冷水机10、带有流量控制计的高压气瓶13发送指令信号，对加热功率、冷却水流量、冷却气流量进行同步调节。

(4)在整个辐照过程中，不断循环重复上述测温与控温过程，从而实现对辐照材料Zr-4合金圆片样品辐照温度的实时、同步、与精确的控制。在本实施例中，所设定的温控循环周期间隔时间为60秒，且辐照材料Zr-4合金圆片样品在60秒内可以达到温度稳定；结果表明：在5小时的离子辐照过程中，辐照材料样品温度波动在±5℃范围内。

以上所述实施例仅给出了一个本发明所述的基于粒子加速器材料辐照的温控装置及其温控方法的具体应用例子，并非详尽无遗或限制于上述所述具体实施方式和实施例；对于从事本领域的研究人员而言，还可根据以上启示设计出多种基于粒子加速器材料辐照的温控装置及其温控方法；显而易见可根据上面所述内容进行适当的修改和优化，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于粒子加速器材料辐照的高精度温控方法，包括以下步骤：

(1)将样品台中高导热金属填满铜传热台上的圆形凹槽，并将辐照材料样品用固定螺栓进行固定，确保辐照材料样品与铜传热台紧密接触；

(2)之后将样品台安装在离子辐照真空室端口对真空室抽真空备用；在离子辐照过程中，通过红外热成像仪直接测量得到辐照材料样品的辐照温度；将此辐照温度数据通过辐照温度数据传输线传送给计算机程控系统，并将测量辐照温度值与实验预设温度值作对比，其预设温度范围为25℃～600℃，并自动选择以下七种方案中的任一种进行处理：

(A)当辐照温度值高于预设值50℃及以上范围时，此时降低电阻加热功率、增加冷却水流量与冷却气流量；

(B)当辐照温度值高于预设值10℃～50℃范围内时，此时仅增加冷却水流量与冷却气流量；

(C)当辐照温度值高于预设值5℃～10℃范围内时，此时仅增加冷却气流量；

(D)当辐照温度值低于预设值50℃及以上范围时，此时增加电阻加热功率、降低冷却水流量与冷却气流量；

(E)当辐照温度值低于预设值10℃～50℃范围内时，此时仅降低冷却水流量与冷却气流量；

(F)当辐照温度值低于预设值5℃～10℃范围内时，此时仅降低冷却气流量；

(G)当辐照温度值与预设值的差异在±5℃范围内时，此时不改变电阻加热功率、冷却水流量与冷却气流量；

(3)在选择了上述任一种方案处理后，计算机程控系统分别经电阻加热功率指令信号传输线、冷却水流量指令信号传输线、冷却气流量指令信号传输线向电阻功率调控器、带有流量控制计的冷水机、带有流量控制计的高压气瓶发送指令信号；同步调控电阻加热功率、冷却水流量、冷却气流量，以实现对辐照材料样品的精确控温调控；

(4)最后，在辐照材料样品温度稳定后，再次循环重复上述测温与控温过程，由此实现对粒子加速器材料辐照温度的实时、自动与精确控制。

2.一种实现权利要求1所述基于粒子加速器材料辐照的高精度温控方法提供的高精度温控装置，其特征在于包括离子辐照真空室(1)、加速器离子束管道(2)、辐照离子束流(3)、红外测温通道(4)；红外测温单元、电阻加热单元、水冷却单元、气冷却单元、信号控制/传输单元、样品台(16)及其上辐照材料样品(17)；在辐照离子束流(3)终端离子辐照真空室(1)端口布置红外测温通道(4)与样品台(16)安装端口；

所述红外测温单元包括与红外测温通道(4)紧密连接的红外玻璃窗口(5)和安装在红外玻璃窗口的红外热成像仪(6)；红外热成像仪经辐照温度数据传输线(19)连接计算机程控系统(18)；

所述电阻加热单元包括电阻功率调控器(7)、样品台内的电阻加热丝(28)、电流输入线(8)和电流输出线(9)；电阻功率调控器(7)一端连接样品台内的电流输入线和电流输出线，另一端通过电阻加热功率指令信号传输线(20)与计算机程控系统(18)连接；

所述水冷却单元包括带有流量控制计的冷水机(10)、水流环形冷却管道(29)、进水管道(11)和出水管道(12)；带有流量控制计的冷水机一端连接样品台(16)上进水管道(11)和出水管道(12)；另一端经冷却水流量指令信号传输线(21)连接计算机程控系统(18)；

所述气冷却单元包括带有流量控制计的高压气瓶(13)、气流环形冷却管道(32)、进气管道(14)和出气管道(15)；带有流量控制计高压气瓶一端连接样品台(16)上进气管道(14)；样品台(16)上出气管道(15)与大气相通；另一端经冷却气流量指令信号传输线(22)连接计算机程控系统(18)；

所述信号控制/传输单元包括计算机程控系统(18)，其经连接辐照温度数据传输线(19)以获得红外热成像仪测量辐照材料样品的辐照温度；经连接电阻加热功率指令信号传输线(20)、冷却水流量指令信号传输线(21)、冷却气流量指令信号传输线(22)分别向电阻功率调控器，带有流量控制计冷水机，带有流量控制计高压气瓶发送指令信号；用于控制电阻加热功率、冷却水流量和冷却气流量。

3.根据权利要求2所述基于粒子加速器材料辐照的高精度温控装置，其特征在于所述样品台(16)包括样品台不锈钢筒体(23)、铜传热台(24)及其上端面的圆形凹槽(26)、圆形凹槽内的高导热金属(27)，及固定辐照材料样品(17)在铜传热台(24)上的固定螺栓(25)。

4.根据权利要求3所述基于粒子加速器材料辐照的高精度温控装置，其特征在于所述样品台不锈钢筒体(23)上端设置为封闭中空圆柱形不锈钢圆筒，其内布置电阻加热丝(28)、电流输入线(8)和电流输出线(9)；布置进水管道(11)与出水管道(12)、进水口(30)与出水口(31)、水流环形冷却管道(29)；布置进气管道(14)与出气管道(15)；样品台不锈钢筒体安装在离子辐照真空室(1)的端口。

5.根据权利要求3所述基于粒子加速器材料辐照的高精度温控装置，其特征在于所述铜传热台(24)内布置进气管道(14)与出气管道(15)、进气口(33)与出气口(34)、气流环形冷却管道(32)；铜传热台内进气管道与出气管道和样品台筒体内进气管道与出气管道保持连通。

6.根据权利要求2或3所述基于粒子加速器材料辐照的高精度温控装置，其特征在于所述高导热金属(27)为低熔点、高沸点、高热导率的金属铟；将其放置在铜传热台上端面的圆形凹槽内。

7.根据权利要求4所述基于粒子加速器材料辐照的高精度温控装置，其特征在于所述电阻加热丝(28)放置在样品台不锈钢筒体(23)的内部顶端；电阻加热丝以同心圆圈方式在同一平面上缠绕排布。

8.根据权利要求4所述基于粒子加速器材料辐照的高精度温控装置，其特征在于所述水流环形冷却管道(29)安装在样品台不锈钢筒体(23)的内部顶端，以圆形方式分布在电阻加热丝(28)的外边，其二者处于同一平面。

9.根据权利要求5所述基于粒子加速器材料辐照的高精度温控装置，其特征在于所述气流环形冷却管道(32)安装在样品台不锈钢筒体(23)上的铜传热台(24)的内部，以圆形方式分布在铜传热台的圆形凹槽(26)周围。

10.根据权利要求2所述基于粒子加速器材料辐照的高精度温控装置，其特征在于所述红外玻璃窗口(5)采用高透光率的透红外锗玻璃做成。