CN107204211A - 温度可控的高温辐照靶室 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种温度可控的高温辐照靶室，包括：真空腔室，所述真空腔室的腔室壁上设置有至少一个真空束流管道接口，以使离子束穿过真空束流管道接口照射至真空腔室的辐照样品中；辐照支撑台，所述辐照支撑台安装在所述真空腔室中；加热装置，所述加热装置安装在所述辐照支撑台上，所述加热装置承载辐照样品，并与辐照样品电绝缘地接触，从而以接触加热的方式将辐照样品加热至规定的温度；温度测量装置，所述温度测量装置用于测量辐照样品的温度；以及束流测量系统，所述束流测量系统用于测量靶室中央的辐照样品上的束流强度。根据本发明的高温辐照靶室加热温度更高并能快速对样品控温，而对辐照样品上的束流强度没有影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种温度可控的高温辐照靶室，特别是一种温度可控的多束同时辐照的高温靶室，该高温靶室主要应用于高温条件下的重离子束、氢离子束、氦离子束同时辐照材料的实验。
背景技术
在反应堆中，堆内结构材料最主要的失效形式是辐照损伤，以及由此引发的结构材料的综合性能的下降。辐照损伤会影响堆内结构材料的使用寿命，并引发反应堆的安全问题，因此它是反应堆结构材料研发中必须考虑和研究的问题。
堆内结构材料主要经受高剂量的载能中子和嬗变带电粒子等的辐照。嬗变带电粒子是反应堆的嬗变反应的产物，主要是氢和氦。因此，材料不仅受到很高剂量的中子辐照，而且还伴随受到氢、氦的协同作用。中子和重离子都是通过碰撞而产生材料的原子的位移，因此，可以使用重离子辐照来模拟中子辐照。通常采用重离子、氢、氦三束同时辐照试验来研究堆内结构材料的辐照损伤。
但是，现有的三束辐照装置的温度普遍不高。目前用于重离子辐照的靶室温度一般只能达到六七百度，此类靶室通常用于二代反应堆结构材料的辐照损伤研究。更新一代的核能系统的结构材料一般在更高的温度和辐照剂量下工作，现有辐照靶室由于不能达到新一代核能系统的结构材料的辐照温度而不能支持新一代核能系统的结构材料辐照损伤研究。因此需要研发一种新型的高温辐照靶室。
另一方面，目前的辐照靶室在温度控制方面和束流测量方面不能很好兼顾。通常采取两种加热方式在辐照靶室内对材料进行加热，即辐射加热和接触加热。采用辐射加热方式加热辐照样品时，加热电路不和样品直接接触，不容易对束流测量造成影响，但是样品升温降温速度慢，无法对束流强度变化导致的在辐照样品的辐照区域的温度变化快速地做出相应的调节。另一种对样品接触加热可以快速控制样品温度，但是由于样品和加热电路之间没有绝缘而无法直接测量辐照样品上的束流。因此需要研发一种能够兼顾温度控制和束流测量两个方面的高温辐照靶室。
另一方面，由于加速器的束流不稳定，在辐照实验过程中，加速器束流可能会发生束斑大小变化和位置漂移。目前的辐照靶室的温度测量装置通常采用的点测温的红外测温仪，它只能测量辐照样品的中心温度，无法监测辐照样品的温度分布以及束斑位置漂移。因此需要在高温靶室中设置相应的监测装置，以便能够同时测量辐照样品上的多个位置处的温度，从而实时监测束斑的大小以及位置的漂移。
发明内容
本发明的目的是提供一种温度可控的高温辐照靶室，其综合了辐射加热方法和接触加热方法的优点，可以将辐照样品加热至高温(最高达到1500℃)而不影响束流测量，同时可以对辐照样品的温度快速调节，减小束流波动对辐照温度的影响。本发明所述的温度测量系统还可以测量辐照样品辐照区域的温度分布，同时可以实时监测辐照束流情况。
本发明的一个方面提供了一种温度可控的高温辐照靶室，包括：真空腔室，所述真空腔室的腔室壁上设置有至少一个真空束流管道接口，以使离子束穿过真空束流管道接口照射至真空腔室的辐照样品中；辐照支撑台，所述辐照支撑台安装在所述真空腔室中；加热装置，所述加热装置安装在所述辐照支撑台上，所述加热装置承载辐照样品，并与辐照样品电绝缘地接触，从而以接触加热的方式将辐照样品加热至规定的温度；温度测量装置，所述温度测量装置用于测量辐照样品的温度；以及束流测量系统，所述束流测量系统用于测量靶室中央的辐照样品上的束流强度。
根据一种实施方式，所述加热装置包括绝缘加热片，所述加热装置通过绝缘加热片与辐照样品接触，从而进行接触加热。
根据一种实施方式，所述加热片为氮化硼-石墨加热片。
根据一种实施方式，所述加热装置的外侧设置有至少一个热辐射屏蔽层，使得辐照样品与周围热隔绝。
根据一种实施方式，所述真空腔室包括圆筒形的筒体，在所述筒体上还设有信号及电源输入输出接口、抽气接口。
根据一种实施方式，所述加热装置的数量是多个，并且都设置在辐照支撑台上。
根据一种实施方式，所述辐射支撑台被构造成转动和平移，以将被承载的加热装置以及辐照样品中的一个旋转和推入/退出靶室中央；
根据一种实施方式，所述至少一个真空束流管道接口分别与多个真空束流管道相连，所述多个真空束流管道设置成使得所述多个真空束流管道的轴线能够会聚于真空腔室中央处，从而能够照射辐照样品。
根据一种实施方式，所述真空束流管道接口的数量为三个，分别与三个真空束流管道相连，所述三个真空束流管道中分别载有重离子束、氢离子束和氦离子束。
根据一种实施方式，所述真空腔室的腔室壁上还设置有观察窗，以便能够观察到真空腔室内部的辐照样品。
根据一种实施方式，所述温度测量装置包括红外热像仪，所述红外热像仪设置在所述高温靶室外部，与所述观察窗相对，所述红外热像仪通过所述观察窗测量辐照样品的表面温度分布，并记录样品表面多个点的温度数据，从而实现对束流照射在辐照样品上的束斑的大小及位置漂移的实时监测。
附图说明
图1示出根据本发明的一个实施方式的高温辐照靶室的侧剖视图，其中示出了真空腔室的内部构造；
图2示出根据本发明的一个实施方式的高温辐照靶室的俯视图，其中示出了真空腔室的内部构造；
图3示出根据本发明的一个实施方式的高温辐照靶室的加热装置的正视图和俯视图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号表示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
根据本发明的总体构思，一种温度可控的高温辐照靶室，包括：真空腔室，所述真空腔室的腔室壁上设置有至少一个真空束流管道接口，以使离子束穿过真空束流管道接口照射至真空腔室的辐照样品中；辐照支撑台，所述辐照支撑台安装在所述真空腔室中；加热装置，所述加热装置安装在所述辐照支撑台上，所述加热装置承载辐照样品，并与辐照样品电绝缘地接触，从而以接触加热的方式将辐照样品加热至规定的温度；温度测量装置，所述温度测量装置用于测量辐照样品的温度；以及束流测量系统，所述束流测量系统用于测量靶室中央的辐照样品上的束流强度。
另外，在下面的详细描述中,为便于解释,阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或更多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。
图1和图2分别示出根据本发明的高温辐照靶室的侧视图和俯视图，其中示出了真空腔室1的内部构造。
如图所示，本发明的实施例的温度可控的高温辐照靶室包括：加热装置3，所述加热装置3承载辐照样品15，并与辐照样品15电绝缘地接触，从而以接触加热的方式将辐照样品15加热至规定的温度。其中，加热装置3包括绝缘加热片，所述加热装置3通过绝缘加热片与辐照样品15接触，从而对辐照样品15进行加热。在本发明的实施例中，绝缘加热片由氮化硼-石墨制成。这样，一方面本发明的高温辐照靶室可以对辐照样品15接触加热，可以快速控制样品的温度，另一方面，由于绝缘加热片的电绝缘性，因此能够直接测量辐照样品15上的束流强度。因此，本发明的高温辐照靶室可以将辐照样品15加热至最高至1500℃的高温并且不影响束流强度测量，同时还可以对辐照样品15的温度快速调节，减小束流波动对辐照样品15的温度的影响。
本发明的实施例的温度可控的高温辐照靶室还包括辐照支撑台2，所述辐照支撑台2承载加热装置3，所述辐照支撑台2能够转动和平移，将其上承载的加热装置3以及辐照样品15旋转和推入/退出靶室中央；其中，在辐照支撑台2上可以承载多个这样的加热装置3，这样可以一次性地装入多个辐照样品15，而不必更改高温辐照靶室内部的设置。
本发明的实施例的温度可控的高温辐照靶室包括真空腔室1，所述真空腔室1的内部可以被抽真空，并且内部容纳加热装置3和辐照支撑台2；所述真空腔室1为圆筒形，圆筒形的腔室壁上分别设置有真空束流管道接口7、8、9，信号及电源输入输出接口11、抽气接口10。其中，所述真空束流管道接口7、8、9与真空束流管道相连，以将离子束照射至靶室中央的辐照样品15上。真空束流管道接口的数量可以是多个，在本实施例的圆筒形腔室壁上有三个，分别与输送重离子束、氢离子束和氦离子束的真空束管道相连。这三个真空束流管道接口布置在真空腔室的正前方且布置在圆筒形真空腔室的同一径向截面内，这三个真空束流管道的轴线设置成会聚于真空腔室中央处。其中，重离子束真空管道布置在中间，氢离子束和氦离子束真空管道分别设置在重离子束真空管道的两侧，并且与重离子束真空管道之间的夹角为±30°，该角度并不一定是30°，也可以是其他角度，只要氢离子束和氦离子束真空管道设置成在重离子束真空管道的两侧对称分布即可。上述设置的目的在于使得三个束流真空管道中的离子束能够会聚于真空腔室中央处，从而准确地照射真空腔室中央的辐照样品。其中，信号及电源输入输出接口11将用于将例如束流强度、温度之类的输出信号、例如控制信号之类的输入信号输入/输出以及为真空腔室内的相关的部件供电。其中，所述抽气接口10与真空抽气系统相连以便将所述真空腔室抽真空。
本发明的实施例的温度可控的高温辐照靶室还包括温度测量装置5，所述温度测量装置5用于测量辐照样品的温度；温度控制系统，所述温度控制系统用于控制加热装置3以便使得加热装置3上的辐照样品的温度能够被控制；束流测量系统，所述束流测量系统用于测量靶室中央的辐照样品上的束流强度。
本发明的实施例的真空腔室的腔室壁上还设置有观察窗4，以便能够观察到真空腔室内部的辐照样品。
本发明的实施例的高温靶室还包括红外热像仪5，所述红外热像仪5设置在所述高温靶室的外部，与所述观察窗4相对，所述红外热像仪5通过所述观察窗4测量辐照样品的表面温度分布，并记录样品表面多个点的温度数据。本发明的实施例的高温辐照靶室能够实现室温至1500℃的多点温度测量与记录，测量点的空间分辨率约0.3mm。温度测量精度为±2％或±2℃。由于在束流对辐照样品进行辐照时，辐照样品15的被辐照的区域的温度会升高，红外热像仪5还具有实现调束对光及实时监测束斑形状和位置的功能。从而实现对加速器的束流在辐照样品15上的束斑的形状及位置漂移的实时监测。在本实施例中，由于红外热像仪5能够测温，因此红外热像仪用作温度测量装置，从而无需设置专门的温度测量装置。
图3示出根据本发明的一个实施方式的高温辐照靶室的加热装置3的正视图和俯视图。如图所示，所述加热装置3包括两个加热电极13，加热电极13与绝缘加热片14相连，绝缘加热片14上设置有辐照样品固定座16，辐照样品固定座16将辐照样品15固定于绝热加热片14上在加热装置3中央，使得绝热加热片14与辐照样品15接触加热。所述加热装置的外侧还设置有热辐射屏蔽层12，使得辐照样品15免于遭受热辐射。这在辐照转盘上设有多个加热装置的情况是特别有利的，可以避免多个辐照样品相互干扰。所述热辐射屏蔽层可以一层或多层。如图3所示，在本实施例中，热辐射屏蔽层为多层。
虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。
虽然本发明总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。
Claims (11)
1.一种温度可控的高温辐照靶室，包括：
真空腔室，所述真空腔室的腔室壁上设置有至少一个真空束流管道接口，以使离子束穿过真空束流管道接口照射至真空腔室的辐照样品中；
辐照支撑台，所述辐照支撑台安装在所述真空腔室中；
加热装置，所述加热装置安装在所述辐照支撑台上，所述加热装置承载辐照样品，并与辐照样品电绝缘地接触，从而以接触加热的方式将辐照样品加热至规定的温度；
温度测量装置，所述温度测量装置用于测量辐照样品的温度；以及
束流测量系统，所述束流测量系统用于测量靶室中央的辐照样品上的束流强度。
2.根据权利要求1所述的高温辐照靶室，其特征在于，所述加热装置包括绝缘加热片，所述加热装置通过绝缘加热片与辐照样品接触，从而进行接触加热。
3.根据权利要求2所述的高温辐照靶室，其特征在于，所述加热片为氮化硼-石墨加热片。
4.根据权利要求1所述的高温辐照靶室，其特征在于，所述加热装置的外侧设置有至少一个热辐射屏蔽层，使得辐照样品与周围热隔绝。
5.根据权利要求1所述的高温辐照靶室，其特征在于，所述真空腔室包括圆筒形的筒体，在所述筒体上还设有信号及电源输入输出接口、抽气接口。
6.根据权利要求1所述的高温辐照靶室，其特征在于，所述加热装置的数量是多个，并且都设置在辐照支撑台上。
7.根据权利要求6所述的高温辐照靶室，其特征在于，所述辐射支撑台被构造成转动和平移，以将被承载的加热装置以及辐照样品中的一个旋转和推入/退出靶室中央。
8.根据权利要求1所述的高温辐照靶室，其特征在于，所述至少一个真空束流管道接口分别与多个真空束流管道相连，所述多个真空束流管道设置成使得所述多个真空束流管道的轴线能够会聚于真空腔室中央处，从而能够照射辐照样品。
9.根据权利要求1所述的高温辐照靶室，其特征在于，所述真空束流管道接口的数量为三个，分别与三个真空束流管道相连，所述三个真空束流管道中分别载有重离子束、氢离子束和氦离子束。
10.根据权利要求1所述的高温辐照靶室，其特征在于，所述真空腔室的腔室壁上还设置有观察窗，以便能够观察到真空腔室内部的辐照样品。
11.根据权利要求1所述的高温辐照靶室，其特征在于，所述温度测量装置包括红外热像仪，所述红外热像仪设置在所述高温靶室外部，与所述观察窗相对，所述红外热像仪通过所述观察窗测量辐照样品的表面温度分布，并记录样品表面多个点的温度数据，从而实现对束流照射在辐照样品上的束斑的大小及位置漂移的实时监测。
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