CN109256224A - 一种用于聚变堆的等离子体与材料相互作用测试平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于聚变堆的等离子体与材料相互作用测试平台，包括真空室及套在真空室外的超导磁体，真空室内一端安装有等离子体源，样品分析交换室一侧通过带插板阀的管接口与真空室另一端连通，调节机构的运动端伸入样品分析交换室内并指向管接口，运动端连接有靶板，真空室内还设有位于等离子体源和真空室另一端之间的限制器，抽真空系统与真空室内连通，加速器与样品分析交换室的管接口连通。本发明优化了抽真空系统形式，可使真空室内部真空度达10‑5Pa，可以将内部靶板表面等离子体的粒子通量提高至1024 m‑2s‑1量级，增强了实验的可操作性和实验效率。

Description

一种用于聚变堆的等离子体与材料相互作用测试平台
技术领域
本发明涉及聚变堆材料测试平台领域，具体是一种用于聚变堆的等离子体与材料相互作用测试平台。
背景技术
核聚变能是潜在的清洁安全能源，其最终的实现对解决世界各国的能源问题尤其重要。磁约束托卡马克装置是目前最有可能实现受控热核聚变的手段之一。磁约束聚变能的实现面临两大瓶颈问题：高参数稳态等离子体物理问题和未来聚变堆关键材料问题。其中，能否解决关键材料问题在很大程度上取决于我们对等离子体与壁材料相互作用过程和机理的深入理解。
等离子体与壁材料相互作用主要发生在托卡马克磁场最外侧封闭磁面之外的边界等离子体（又称为刮削层）和直接接触刮削层的面对等离子体材料区域内。因此，弄清刮削层中的各种物理过程和机理并施以有效的控制，是未来聚变堆实现高参数、长脉冲运行的重要环节之一。在刮削层区，大量来自芯部等离子体的稳态能流和粒子流经过复杂的刮削层输运到面对等离子体材料上。同时，由于边界局域模和湍流的作用以及其它不稳定性因素（如垂直位移和破裂等），会把更强的瞬态能流和粒子流投向面对等离子体材料。这些稳态和瞬态的高热负荷和强粒子流轰击以及之后的氢/氦的扩散和滞留，加上高能聚变中子辐照，不仅损伤面对等离子体材料、影响面对等离子体材料的结构和性能、缩短其使用寿命和带来装置安全问题，而且产生的杂质和灰尘会进入边界甚至芯部等离子体，降低了等离子体品质并增加了等离子体稳定控制的难度。而灰尘的化学活性、活化放射性和放射性氚滞留等因素则带来了一系列的安全问题。同时，高速灰尘对面对等离子体材料尤其是部分诊断的损伤也将成为一个严重问题。
综上所述，势必需要设计并建造一个测试平台以揭示等离子体与材料相互作用机理，并分析等离子体和材料作用之后材料属性的变化，为未来中国聚变工程实验堆CFETR建设做准备，本发明一种用于聚变堆的等离子体与材料相互作用测试平台就是在这样的背景下产生的。
发明内容 本发明的目的是提供一种用于聚变堆的等离子体与材料相互作用测试平台，以弥补现有技术的缺陷，提高测试的效率。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种用于聚变堆的等离子体与材料相互作用测试平台，其特征在于：包括真空室及套在真空室外的超导磁体，真空室内一端安装有等离子体源，真空室另一端外设有样品分析交换室，样品分析交换室一侧通过带插板阀的管接口与真空室另一端连通，且管接口与真空室同轴，样品分析交换室与管接口所在一侧呈对称的另一侧外安装有调节机构，该调节机构具有可往复直线运动的运动端，运动端伸入样品分析交换室内并指向管接口，且运动端的运动方向平行于管接口的轴向，运动端连接有靶板，且运动端运动端的最大直线运动长度满足使靶板通过管接口送入真空室内，真空室内还设有位于等离子体源和真空室另一端之间的限制器，还包括抽真空系统、加速器，所述抽真空系统与真空室内连通以对真空室内抽真空，所述加速器与样品分析交换室的管接口连通，且加速器的长轴平行于真空室。
所述的一种用于聚变堆的等离子体与材料相互作用测试平台，其特征在于：所述超导磁体为环形，数量为至少一个，超导磁体设置在磁体支撑上，且超导磁体同轴套在真空室外。
所述的一种用于聚变堆的等离子体与材料相互作用测试平台，其特征在于：所述抽真空系统包括三组罗茨泵组，以及一组涡轮泵组，三组罗茨泵组和一组涡轮泵组分别通过管路与真空室内连通；三组罗茨泵组位于真空室外，且三组罗茨泵组与真空室之间设置隔音墙。
所述的一种用于聚变堆的等离子体与材料相互作用测试平台，其特征在于：所述样品分析交换室配置有涡轮泵组，涡轮泵组通过管路与样品分析交换室内连通。
所述的一种用于聚变堆的等离子体与材料相互作用测试平台，其特征在于：所述真空室外还螺旋盘绕有冷却管道，冷却管道两端分别与外部冷源连接构成循环式冷却系统。
本发明包括有真空室、限制器、超导磁体、抽真空系统、等离子体源、靶板及调节机构、样品分析交换室、加速器。
真空室可以通过抽真空系统和超导磁体的作用为等离子体运行提供高真空和强磁场环境，并为各辅助系统提供安装接口。限制器置于真空室内部，主要用于调节等离子体束斑的大小。支撑系统包括磁体支撑和真空室支架，为超导磁体、真空室提供结构支撑。本发明冷却系统采用水冷却，为靶板、真空室壁，磁体内部等离子体源装置提供冷却作用。抽真空系统包括三组罗茨泵组和两组涡轮泵组，分别对真空室和样品分析交换室进行抽真空。样品分析交换室为靶板提供材料更换和测试分析空间。
本发明中，靶板采用多面体结构，可在每个面上安装不同的测试材料，通过自身蜗轮蜗杆机构来调节靶板角度，达到一次性可以测试多块材料。靶板可以通过调节机构送到样品分析交换室，进行测试分析和材料更换。
在真空室和样品分析交换室之间安装插板阀，可以在打开样品分析交换室的情况下还能保证真空室内部的真空度，避免下次实验对真空室再次抽真空；样品分析交换室下部装有一个涡轮泵组，当样品分析交换室中的真空度达不到要求时，可以单独对样品分析交换室进行抽真空。
本发明调节结构安装在样品分析交换室提供与真空室同轴连通的管接口上，主要功能是支撑推送内靶板在真空室和样品分析交换室内部往复运动；同时充当靶板内部水电路的过管。
本发明加速器是利用离子束对样品表面进行分析。
本发明的优点是：所述的一种用于聚变堆的等离子体与材料相互作用测试平台，采用模块化结构设计，各系统可以独立拼装；优化了抽真空系统形式，可使真空室内部真空度达10-5Pa，在通过磁场以及加料控制，可以将内部靶板表面等离子体的粒子通量提高至1024 m-2s-1量级，达到未来聚变堆边界等离子体水平。靶板多面体的设计和伸缩机构，增强了实验的可操作性和实验效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明等离子打击靶板的示意截面图。
图3为本发明调节机构示意图。
图4为本发明靶板机构示意图。
图5为本发明调节机构结构示意图。
图6为本发明调节机构结构正视图。
图7为本发明调节机构结构俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1-图7所示，一种用于聚变堆的等离子体与材料相互作用测试平台，包括真空室1及套在真空室1外的超导磁体3，真空室1内一端安装有等离子体源7，真空室1另一端外设有样品分析交换室10，样品分析交换室10一侧通过带插板阀12的管接口与真空室1另一端连通，且管接口与真空室1同轴，样品分析交换室10与管接口所在一侧呈对称的另一侧外安装有调节机构9，该调节机构 9 具有可往复直线运动的运动端，运动端伸入样品分析交换室10内并指向管接口，且运动端的运动方向平行于管接口的轴向，运动端连接有靶板8，且运动端运动端的最大直线运动长度满足使靶板8通过管接口送入真空室1内，真空室1内还设有位于等离子体源7和真空室另一端之间的限制器2，还包括抽真空系统、加速器，抽真空系统与真空室1内连通以对真空室1内抽真空，加速器11与样品分析交换室1的管接口连通，且加速器11的长轴平行于真空室。
真空室1设置在真空室支架13上。
超导磁体3为环形，数量为至少一个，超导磁体3设置在磁体支撑14上，且超导磁体3同轴套在真空室1外。
抽真空系统包括三组罗茨泵组6，以及一组涡轮泵组15，三组罗茨泵组6和一组涡轮泵组15分别通过管路与真空室1内连通。
三组罗茨泵组6位于真空室1外，且三组罗茨泵组6与真空室1之间设置隔音墙4。
样品分析交换室10配置有涡轮泵组16，涡轮泵组16通过管路与样品分析交换室10内连通。
抽真空系统中的涡轮泵组15和样品分析交换10室配置的涡轮泵组16分别埋地设置。
真空室1外还螺旋盘绕有冷却管道5，冷却管道5两端分别与外部冷源连接构成循环式冷却系统。
调节机构9包括设置在支撑总成 9.6上的电动直线滑轨组件9.5，支撑总成9.6位于样品分析交换室10另一侧外，该直线滑轨组件9.5的滑轨9.10固定于支撑总成9.6上并平行于真空室1的轴向，且滑轨9.10一端指向样品分析交换室10，另一端远离样品分析交换室10，滑轨9.10上至少有两个滑块，其中一个滑块作为主动滑块9.11位于滑轨9.10远离样品分析交换室10的一端并与电机9.9传动连接，由电机9.9驱动主动滑块9.11在滑轨9.10上滑动，其余滑块9.12为不与电机9.9传动连接的自由滑块，还包括波纹管组件9.1，波纹管组件9.1包括多段同轴的波纹管，相邻波纹管之间通过法兰连接，波纹管组件9.1设于直线滑轨组件9.5的滑轨上方，且波纹管组件9.1的轴向平行于滑轨9.10，波纹管组件9.1两端管口分别盖合密封连接有密封法兰9.3，其中一端密封法兰固定在主动滑块9.11上，直线滑轨组件9.5上其余滑块9.12分别与波纹管组件9.1中数量对应的法兰一一对应固定连接，波纹管组件9.1另一端密封法兰穿入样品分析交换室10，波纹管组件9.1内部同轴设有内部推杆9.4，内部推杆9.4两端分别从波纹管组件9.1对应端的密封法兰穿出，且内部推杆9.4和主动滑块9.11连接的密封法兰固定连接为一体，内部推杆9.4与穿入样品分析交换室10的密封法兰相对滑动配合，内部推杆9.4从相对滑动配合的密封法兰穿出后，再穿入样品分析交换室10内，且内部推杆9.4穿入样品分析交换室内的杆端连接靶板8。
支撑总成9.6为框架结构。
波纹管组件9.1通过波纹管组件支撑9.2安装在支撑总成9.6上，波纹管组件支撑9.2包括均匀环绕在波纹管组件9.1周围的多根滑杆9.7，每根滑杆9.7的轴向均与波纹管组件9.1的轴向平行，多根滑杆9.7相同方向的一端分别共接至滑杆支架9.8，两端的滑杆支架9.8固定在支撑总成9.6上，多根滑杆9.7之间还滑动安装有多个支撑架，波纹管组件9.1从一端滑杆支架滑动穿入后再从另一端滑杆支架滑动穿出，波纹管组件9.1中间固定于多个支撑架。
密封法兰9.3上分别留有疏通水管和电路的通道，疏通水管从主动滑块连接的密封法兰的疏通水管通道穿入波纹管组件内，再从另一个密封法兰的疏通水管通道穿出，电路从从主动滑块连接的密封法兰的电路通道穿入波纹管组件内，再从另一个密封法兰的电路通道穿出。
本发明包括有真空室1、限制器2、超导磁体3、隔音墙4、支撑系统、冷却系统5、抽真空系统、等离子体源7、靶板8及调节机构9、样品分析交换室10、加速器11、插板阀12。支撑系统包括真空室支架13和磁体支撑14。抽真空系统包括三组罗茨泵组6、涡轮泵组15和涡轮泵组16。
真空室1安装在真空室支架13上，通过抽真空系统中三组罗茨泵组6和一组位于地坑内的涡轮泵组15的工作下，对真空室1进行抽真空处理，使真空度达到10-5Pa。
限制器2安装在真空室1内部，位于等离子体源7和靶板8之间，通过调节螺丝固定，可灵活控制等离子体束的大小。
冷却系统采用水管冷却，冷却管道5螺旋缠绕在真空室1外表面，采用电焊固定，由于放电时产生热量，缠绕在表面的水管起到冷却作用。
超导磁体3单独安装在磁体支撑14上，保持与真空室1同心度0.5mm以上，目的为真空室1内部环境提供强磁场环境。
等离子体源7安装在真空室1端部，安装后的高密度等离子体源出口法兰位于强磁场内部，主要为实验提供等离子体源料。
样品分析交换室10安装在交换室支架上，通过插板阀12连通真空室1，保证样品分析交换室10与真空室1在同心上，同心度0.5mm以上，主要提供对靶板的测试空间，和对靶板更换空间；在样品分析交换室下方连有一组涡轮泵组16，所述涡轮泵组位于地坑内，主要对样品分析交换室进行抽真空，使其在罗茨泵组6和涡轮泵组15的共同作用下，真空度达到10-5Pa。
调节结构9安装在样品分析交换室提供与真空室同轴连通的管接口上，主要功能是支撑推送内靶板8在真空室1和样品分析交换室10内部往复运动；同时充当靶板内部水电路的过管。
如图5-图7所示，本发明调节机构9的直线滑轨组件9.5中，在电机9.9的带动下，主动滑块9.11带动波纹管组件9.1一端密封法兰开始运动，迫使波纹管整体运动，波纹管组件9.1连接有靶板8的一端密封法兰向样品分析交换室10连接的管接口运动，当靶板8运动至样品分析交换室10的管接口时被管接口限位，此时主动滑块9.11带动所连接的密封法兰继续运动，迫使波纹管开始压缩，由于内部推杆9.4和主动滑块9.11所连接的密封法兰焊接固定，使内部推杆9.4能够推动靶板继续运动，以此可将靶板8推过管接口后继续送入管接口所连接的真空室1；当需要后退时亦是电机9.9进行带动；由于两端的密封，保证整个运动状态在真空下运行。
靶板8安装在调节机构运动端上，初始位置位于样品分析交换室10内，满足多面安装材料和自传功能，靶板采用多面体结构，可在每个面上安装不同的测试材料，通过自身蜗轮蜗杆机构来调节靶板角度，达到一次性可以测试多块材料。靶板可以通过调节机构送到样品分析交换室，进行测试分析和材料更换。
加速器安11安装在样品分析交换室接口上，长轴与真空室平行，主要对靶板测试。
开始实验前插板阀12打开，抽气管道上插板阀打开，靶板位于样品分析交换室12内；罗茨泵组6、涡轮泵组15和涡轮泵组16分别对真空室1和样品分析交换室12抽真空处理，当内部真空度达到10-5Pa后，关闭罗茨泵组6，只留涡轮泵组15和涡轮泵组16保持真空度；靶板8在调节机构9的推动下由材料样品分析室移动到真空室1内部指定测试部位；在超导磁体3、等离子体源7的作用下，等离子体穿过通过限制器打击在靶板8测试材料上，可以将内部靶板表面等离子体的粒子通量提高至1024 m-2s-1量级，通过靶板8自传电机作用，调整对准等离子体的面来改变测试材料；打击结束后，靶板8在调节机构9的作用下退回导样品分析交换室10，关闭插板阀12，隔断真空室1和样品分析交换室10；在样品分析交换室内对靶板材料进行测试观察采集数据；需要更换靶板8测试材料时只需要对样品分析交换室10进行破真空，在实验前单独通过涡轮泵组17对样品分析交换室10进行抽真空处理。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种用于聚变堆的等离子体与材料相互作用测试平台，其特征在于：包括真空室及套在真空室外的超导磁体，真空室内一端安装有等离子体源，真空室另一端外设有样品分析交换室，样品分析交换室一侧通过带插板阀的管接口与真空室另一端连通，且管接口与真空室同轴，样品分析交换室与管接口所在一侧呈对称的另一侧外安装有调节机构，该调节机构具有可往复直线运动的运动端，运动端伸入样品分析交换室内并指向管接口，且运动端的运动方向平行于管接口的轴向，运动端连接有靶板，且运动端运动端的最大直线运动长度满足使靶板通过管接口送入真空室内，真空室内还设有位于等离子体源和真空室另一端之间的限制器，还包括抽真空系统、加速器，所述抽真空系统与真空室内连通以对真空室内抽真空，所述加速器与样品分析交换室的管接口连通，且加速器的长轴平行于真空室。
2.根据权利要求1所述的一种用于聚变堆的等离子体与材料相互作用测试平台，其特征在于：所述超导磁体为环形，数量为至少一个，超导磁体设置在磁体支撑上，且超导磁体同轴套在真空室外。
3.根据权利要求1所述的一种用于聚变堆的等离子体与材料相互作用测试平台，其特征在于：所述抽真空系统包括三组罗茨泵组，以及一组涡轮泵组，三组罗茨泵组和一组涡轮泵组分别通过管路与真空室内连通；三组罗茨泵组位于真空室外，且三组罗茨泵组与真空室之间设置隔音墙。
4.根据权利要求1所述的一种用于聚变堆的等离子体与材料相互作用测试平台，其特征在于：所述样品分析交换室配置有涡轮泵组，涡轮泵组通过管路与样品分析交换室内连通。
5.根据权利要求1所述的一种用于聚变堆的等离子体与材料相互作用测试平台，其特征在于：所述真空室外还螺旋盘绕有冷却管道，冷却管道两端分别与外部冷源连接构成循环式冷却系统。
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