CN109612881A - 一种测量聚变装置第一壁氢同位素渗透的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量聚变装置第一壁氢同位素渗透的方法，首先构建金属样品、真空法兰、热电偶、加热器、阀门、标准漏孔、质谱仪、真空泵组构成的测量系统，测量前首先通过标准漏孔进行检漏，然后通过真空泵组将测量系统抽真空至与聚变装置主机真空一致，最后将测量系统整体置于聚变装置主机中，在等离子辐射过载中通过质谱仪的数据，分析处理得到氢同位素在构成巨变装置第一壁的金属材料样品的渗透参数。本发明可以真实的在聚变装置服役环境辐照，保证数据的准确性，结构简单，具有良好的经济性。
Description
技术领域
本发明涉及聚变装置测量技术领域，具体是一种测量聚变装置第一壁氢同位素渗透的方法。
背景技术
托克马克核聚变装置中，聚变包层以低活化钢、钒合金作为主要候选结构材料，然而这两种材料均存在氢同位素高渗透、滞留的缺点。氢同位素在包层结构材料中的渗透滞留问题直接关系到聚变堆的经济性与安全性，并影响了氚支持的可能性。在研究聚变结构材料的氢同位素渗透滞留参数，需要将样品暴露在不同的服役环境后进行分析。
等离子体驱动渗透实验是研究氢同位素渗透滞留行为的重要步骤，目前国内包括国际上普遍采用使用小型线性直线等离子体装置来模拟聚变材料的服役环境，并配合真空金属细管螺纹密封样品。该方式存在的问题：1. 实验过程不能真实的反应聚变材料的服役环境；2. 实验中样品密封存在问题，样品密封时容易破裂；3. 样品的辐照面积受到严重约束，可能带来的辐照不均匀引起的后续测量误差和对实验数据的错误理解。
发明内容 本发明的目的是提供一种测量聚变装置第一壁氢同位素渗透的方法，以解决现有技术等离子体驱动渗透实验测量聚变装置第一壁氢同位素渗透时存在的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种测量聚变装置第一壁氢同位素渗透的方法，用于测量构成聚变装置第一壁的金属样品在聚变装置服役的等离子环境下的氢同位素渗透，其特征在于：首先构建测量系统，测量系统中将待测量的金属样品制成圆盘形，采用两个真空CF法兰分别夹持固定在金属样品圆盘的两面，以在测量时起到隔绝密封效果，金属样品圆盘的一面紧贴设置热电偶，使用三路管路，三路管路各自一端合为一路后密封对接至热电偶所在一面对应的真空CF法兰以与金属样品圆盘连通，在合路后的管路内间隔金属样品圆盘一段距离的位置设置加热器，实验中可根据需求对金属样品圆盘进行加热，三路管路中其中一路管路另一端通过阀门与一个标准漏孔连通，第二路管路另一端连通至一个质谱仪的进口，第三路管路另一端与一个真空泵组连通；
测量前，首先通过阀门调节标准漏孔以对测量系统进行检漏，确定无漏点后启动真空泵组，将测量系统抽真空至与聚变装置主机真空一致，最后打开质谱仪并将测量系统整体置于聚变装置主机中等待等离子辐射，置于聚变装置时金属样品圆盘热电偶所在一面对应的真空CF法兰及其连接的管路面向聚变装置外，金属样品圆盘另一面对应的真空CF法兰面向聚变装置内，由金属样品圆盘将测量系统真空与聚变装置主真空室进行隔离，金属样品圆盘两面存在一定的压力差；在等离子辐射过载中远程查看质谱仪数据，基于质谱仪的数据分析处理得到氢同位素在构成聚变装置第一壁的金属材料样品的渗透参数。
所述的一种测量聚变装置第一壁氢同位素渗透的方法，其特征在于：所述质谱仪整体作磁屏蔽处理。
所述的一种测量聚变装置第一壁氢同位素渗透的方法，其特征在于：所述真空泵组为差分真空泵组。
所述的一种测量聚变装置第一壁氢同位素渗透的方法，其特征在于：所述加热器采用电加热的金属钨丝，通过改变电流控制金属钨丝温度进而给样品加热到指定温度。
所述的一种测量聚变装置第一壁氢同位素渗透的方法，其特征在于：所述热电偶与加热器构成测量上游段，通过在线加热金属样品圆盘测量气体热脱附或加热条件下的气体辐射。
本发明中，将待测的金属样品加工成圆盘形，利用真空法兰密封，在金属样品圆盘靠近泵组一侧设有加热器，热电偶抵在金属样品圆盘辐照背面上，组成测量上游段，可以在线加热金属样品圆盘研究气体热脱附或加热条件下的气体辐照现象。在实验下游段通过管路分成3路，第一路可通过阀门调节标准漏孔通断测试标准漏率；第二路直接将渗透气体信号传输到高分辨率的质谱仪上，其中质谱仪由于较易受到磁场的影响，尤其是在靠近聚变装置，强大的环向磁场和纵向磁场容易影响高分辨质谱仪的测量精度，因此在高分辨质谱仪上做磁屏蔽处理；同时为了达到质谱仪的测量气压环境，第三路上采用差分真空泵组的形式为质谱仪提供合适的背景气压，同时也可以保持与聚变装置主机真空相匹配的气压。
本发明中质谱仪的选择：质谱仪作为本方案的主要检测手段，即根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，按物质原子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成的一类仪器。本发明的主要功能是分离和检测不同原子质量的物质，并对物质种类进行分析。在测量第一壁氢同位素渗透实验过程中主要通过检测氢同位素渗透过样品后气体种类和渗透量的相对大小来研究材料下的特性。根据使用工质和待检测目标物质的质量选择质谱仪的型号和品牌。本发明中对质谱仪的型号和品牌没有要求，可自行根据需求选择。质谱仪本身磁场敏感可以利用金属网罩进行屏蔽，屏蔽网可以根据选择质谱仪进行调整。
本发明中差分真空泵组的选择：在聚变装置环境中工作气压一般较低，质谱仪在工作模式下一般最大工作气压在10-2Pa左右，差分真空泵组主要为质谱仪提供良好的工作背景，对真空泵组的型号和品牌没有明确要求，可根据自主实验需求进行调整。
本发明中标准漏孔的选择：标准漏孔主要作用是为真空检漏及其校准工作，能够在一定的条件下向真空系统内部提供已知气体流量的元件，标准漏孔的使用可以由前端的控制阀门进行控制气体流量和通断。
本发明中热电偶的选择：热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过检测电路转化成显示的温度。热电偶被用来测量样品表面上的温度信号，进而来分析材料随温度变化的特性。
本发明中加热器的选择：加热器主要作用是给样品表面加热到指定的温度。主要加热形式是焦耳加热，加热器的加热温度和待研究的温度范围有关，常用金属钨丝作为加热器，通过改变通过加热器的电流控制温度大小。
本发明与现有技术的等离子体驱动渗透实验方法相比，优点如下：
1.可以真实的在聚变装置服役环境辐照，保证数据的准确性；2.实验中样品实现真空密封，对样品的尺寸要求更低；3.辐照渗透样品实验数据在线分析，更加方便，快捷；4.结构简单，系统搭建更加便捷，具有良好的经济性。
附图说明
图1是本发明测量原理图。
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所示，一种测量聚变装置第一壁氢同位素渗透的方法，用于测量构成聚变装置第一壁的金属样品在聚变装置服役的等离子环境下的氢同位素渗透，首先构建测量系统，测量系统中将待测量的金属样品制成圆盘形，采用两个真空CF法兰2、3分别夹持固定在金属样品圆盘1的两面，以在测量时起到隔绝密封效果，金属样品圆盘1的一面紧贴设置热电偶4，使用三路管路，三路管路各自一端合为一路后密封对接至热电偶4所在一面对应的真空CF法兰3以与金属样品圆盘1连通，在合路后的管路内间隔金属样品圆盘1一段距离的位置设置加热器5，实验中可根据需求对金属样品圆盘1进行加热，三路管路中其中一路管路另一端通过阀门6与一个标准漏孔7连通，第二路管路另一端连通至一个质谱仪8的进口，第三路管路另一端与一个真空泵组9连通；
测量前，首先通过阀门6调节标准漏孔7以对测量系统进行检漏，确定无漏点后启动真空泵组9，将测量系统抽真空至与聚变装置主机真空一致，最后打开质谱仪8并将测量系统整体置于聚变装置主机中等待等离子11辐射，置于聚变装置时金属样品圆盘1热电偶4所在一面对应的真空CF法兰3及其连接的管路面向聚变装置外，金属样品圆盘1另一面对应的真空CF法兰面向聚变装置内，由金属样品圆盘1将测量系统真空与聚变装置主真空室进行隔离，金属样品圆盘1两面存在一定的压力差；在等离子辐射过载中远程查看质谱仪8数据，基于质谱仪8的数据分析处理得到氢同位素在构成聚变装置第一壁的金属材料样品的渗透参数。
本发明中，质谱仪8整体通过磁屏蔽层10作磁屏蔽处理。真空泵组9为差分真空泵组。加热器5采用电加热的金属钨丝，通过改变电流控制金属钨丝温度进而给样品加热到指定温度。
本发明中，热电偶4与加热器5构成测量上游段，通过在线加热金属样品圆盘1测量气体热脱附或加热条件下的气体辐射。
本发明使用在EAST装置上进行分析氢同位素渗透行为，在工作前利用标准漏孔对测量系统进行检漏，确定无漏点后利用真空泵组将测量系统真空抽至与EAST装置主机真空相当的水平后将测量系统深入主机中的等待等离子辐照，质谱仪保持开启检测，在EAST装置主机等离子体辐照过程中可以在线通过监视器查看质谱仪数据结果。辐照完成后关闭质谱仪并将测量装置拉出封闭EAST装置主机真空法兰，即可分析处理实验数据。
Claims (5)
1.一种测量聚变装置第一壁氢同位素渗透的方法，用于测量构成聚变装置第一壁的金属样品在聚变装置服役的等离子环境下的氢同位素渗透，其特征在于：首先构建测量系统，测量系统中将待测量的金属样品制成圆盘形，采用两个真空CF法兰分别夹持固定在金属样品圆盘的两面，以在测量时起到隔绝密封效果，金属样品圆盘的一面紧贴设置热电偶，使用三路管路，三路管路各自一端合为一路后密封对接至热电偶所在一面对应的真空CF法兰以与金属样品圆盘连通，在合路后的管路内间隔金属样品圆盘一段距离的位置设置加热器，实验中可根据需求对金属样品圆盘进行加热，三路管路中其中一路管路另一端通过阀门与一个标准漏孔连通，第二路管路另一端连通至一个质谱仪的进口，第三路管路另一端与一个真空泵组连通；
测量前，首先通过阀门调节标准漏孔以对测量系统进行检漏，确定无漏点后启动真空泵组，将测量系统抽真空至与聚变装置主机真空一致，最后打开质谱仪并将测量系统整体置于聚变装置主机中等待等离子辐射，置于聚变装置时金属样品圆盘热电偶所在一面对应的真空CF法兰及其连接的管路面向聚变装置外，金属样品圆盘另一面对应的真空CF法兰面向聚变装置内，由金属样品圆盘将测量系统真空与聚变装置主真空室进行隔离，金属样品圆盘两面存在一定的压力差；在等离子辐射过载中远程查看质谱仪数据，基于质谱仪的数据分析处理得到氢同位素在构成聚变装置第一壁的金属材料样品的渗透参数。
2.根据权利要求1所述的一种测量聚变装置第一壁氢同位素渗透的方法，其特征在于：所述质谱仪整体作磁屏蔽处理。
3.根据权利要求1所述的一种测量聚变装置第一壁氢同位素渗透的方法，其特征在于：所述真空泵组为差分真空泵组。
4.根据权利要求1所述的一种测量聚变装置第一壁氢同位素渗透的方法，其特征在于：所述加热器采用电加热的金属钨丝，通过改变电流控制金属钨丝温度进而给样品加热到指定温度。
5.根据权利要求1所述的一种测量聚变装置第一壁氢同位素渗透的方法，其特征在于：所述热电偶与加热器构成测量上游段，通过在线加热金属样品圆盘测量气体热脱附或加热条件下的气体辐射。
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