CN110390863B - 采用电极组件整体焊接工艺的热离子发电实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采用电极组件整体焊接工艺的热离子发电实验装置，其包括用于发射电子的发射极组件、与发射极组件对准地设置并用于接收由发射级组件发射的电子的接收极组件以及设置在发射极组件与接收极组件之间并且形成使电子穿过的空间的电极连接组件，其中，发射极组件包括加热器单元和发射端单元，在加热器单元和发射端单元之间设置有第一金属陶瓷封接件，第一金属陶瓷封接件包括第一陶瓷件以及设置在第一陶瓷件的两侧的第一可伐部件和第二可伐部件，在发射极组件的制造过程中，同时执行加热器单元与第二可伐部件之间、第二可伐部件与第一陶瓷件之间、第一陶瓷件与第一可伐部件之间以及第一可伐部件与发射端单元之间的焊接。

Description

采用电极组件整体焊接工艺的热离子发电实验装置

技术领域

本发明涉及热离子发电技术领域，更具体地，涉及一种用于对热离子发电系统的特性进行实验研究的热离子发电实验装置。

背景技术

热离子发电是一种通过热离子发射的方式将热能直接转换成电能的技术。通过与具体供热方式的结合，热离子发电可以应用在不同的场合，特别是跟核反应堆裂变能结合制成的热离子反应堆电源在空间应用领域具有独特的优势，并在俄罗斯TOPAZ系列的空间核电源系统飞行试验中得到验证。热离子发电实验装置是热离子发电技术开发的必要设备。

热离子发电的原理是采用相互平行靠近的难熔金属作为电极对，其中，发射极被加热到1500℃或以上的高温产生热电子发射，温度较低(500℃-600℃)的一侧作为电子的接收极。电子输运通过电极之前的间隙时对后续发射的电子产生输运阻力。为避免空间电荷效应的影响，通常的方法是向电极间隙内充入铯蒸气，使铯蒸气电离为等离子体，从而降低了输运的势垒。

热离子发电实验装置属于精密的热电真空器件。影响热离子发电的主要因素包括：电极材料及其温度、电极间隙宽度以及电极间隙中的铯蒸气的压强，这些参数的改变都将影响发电装置的伏安特性。热离子发电实验装置的基本功能是实现在不同的电极温度、电极间隙宽度和铯蒸气压强下进行伏安特性曲线的测量。现有技术中，热离子发电实验装置的电极结构的形式可分为平板型电极和管状电极，其中，平板型电极的实验装置的加工制造相对便捷而通常被用于热离子发电实验研究。

根据对相关技术的文献资料调研，现有的热离子发电实验装置存在绝缘密封的问题，发射极和接收极之间需要保证铯蒸气的绝对封闭环境，同时两个电极之间需要电绝缘，因此电极之间的绝缘密封需要金属陶瓷封接件。热离子发电设备的电极系统结构紧凑，而金属陶瓷封接件由于工艺流程的原因会具有被破坏的风险，从而影响密封的效果。因此，电极间隙密封性的破坏成为发电装置失效的主要原因之一。

因此，现有技术中需要提出一种能够在长期使用过程中确保电极之间的绝缘和密封性能的热离子发电实验装置。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题以及相关现有设备中存在的相关缺陷，本发明在满足热离子发电装置的热、电和真空条件的基本要求的基础上，综合考虑了上述缺陷的解决方案，设计出了一套综合创新的、严谨便利的具有平板型热离子转换电极系统的热离子发电实验装置。

为了解决上述技术问题中的至少一个方面，本发明的实施例提供了一种采用电极组件整体焊接工艺的热离子发电实验装置，该热离子发电实验装置包括：

发射极组件，用于发射电子；

接收极组件，与发射极组件对准地设置并用于接收由发射级组件发射的电子；以及

电极连接组件，设置在发射极组件与接收极组件之间，并且形成使电子穿过的空间，

其中，发射极组件包括加热器单元和发射端单元，在加热器单元和发射端单元之间设置有第一金属陶瓷封接件，第一金属陶瓷封接件包括第一陶瓷件以及设置在第一陶瓷件的两侧的第一可伐部件和第二可伐部件，

在发射极组件的制造过程中，同时执行加热器单元与第二可伐部件之间、第二可伐部件与第一陶瓷件之间、第一陶瓷件与第一可伐部件之间以及第一可伐部件与发射端单元之间的焊接。

根据本发明的热离子发电实验装置通过在发射极组件的制造过程中同时实施四道焊缝的整体式焊接，改进了发射极组件的制造工艺，由此能够大大地降低发射极组件的第一金属陶瓷封接件的焊缝的开裂的可能性，从而能够在热离子发电实验装置的长期使用过程中确保发射极组件的密封性能和绝缘性能，由此大大地延长了热离子发电实验装置的使用寿命。

根据本发明的热离子发电实验装置的一个优选的实施例，加热器单元包括电加热器、用于支承电加热器的加热器支架、用于为加热器支架提供支承并且为电加热器提供电源负极的第一法兰以及用于为电加热器提供电源正极的第二法兰组件。

在根据本发明的热离子发电实验装置的另一个优选的实施例中，发射端单元包括发射极端板、用于支承发射极端板的第一支承管以及用于支承第一支承管的第三法兰。

根据本发明的热离子发电实验装置的再一个优选的实施例，第一金属陶瓷封接件设置在第一法兰与第三法兰之间，焊接为整体钎焊焊接。

在根据本发明的热离子发电实验装置的又一个优选的实施例中，发射端单元还包括套设在第一支承管的外周的热屏蔽管，热屏蔽管由第三法兰支承。

根据本发明的热离子发电实验装置的还一个优选的实施例，接收极组件包括接收端单元和为接收端单元提供密封的第四法兰，在接收端单元与第四法兰之间设置有第二金属陶瓷封接件。

在根据本发明的热离子发电实验装置的另一个优选的实施例中，第二金属陶瓷封接件包括第二陶瓷件以及设置在第二陶瓷件的两侧的第三可伐部件和第四可伐部件，其中，在接收极组件的制造过程中，同时执行接收端单元与第三可伐部件之间、第三可伐部件与第二陶瓷件之间、第二陶瓷件与第四可伐部件之间以及第四可伐部件与第四法兰之间的焊接。

根据本发明的热离子发电实验装置的还一个优选的实施例，接收端单元包括接收极端板、用于支承接收极端板的第二支承管以及用于支承第二支承管的支承件。

在根据本发明的热离子发电实验装置的再一个优选的实施例中，第二金属陶瓷封接件设置在支承件与第四法兰之间，焊接为整体钎焊焊接。

根据本发明的热离子发电实验装置的又一个优选的实施例，在第二支承管内设置有温控组件。

在根据本发明的热离子发电实验装置的另一个优选的实施例中，温控组件包括设置在第二支承管的中心的冷却套管以及缠绕地形成在第二支承管的内壁上的电加热线圈。

本发明考虑到现有的热离子发电实验装置中存在的电极系统密封性不佳的问题，提出了解决这一缺陷的系统方案，有利于建立更加精准、严谨便利的实验装置。具体而言，根据本发明的热离子发电实验装置相对于现有技术具有以下有益效果，本发明通过对金属陶瓷封接件与两侧的金属部件进行整体钎焊，即四道焊缝的同时焊接，解决了陶瓷在焊接过程以及后续使用过程中由于热应力而破损开裂的问题，确保金属陶瓷封接件具有更好的绝缘和密封性能以及具有更长的使用寿命。另外，通过在接收极组件的第二支承管内设置温控组件，能够将接收极端板控制在所需的温度范围内，由此可以改善热离子发电实验装置的发电性能。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1为根据本发明的采用电极组件整体焊接工艺的热离子发电实验装置的透视图。

图2为根据本发明的采用电极组件整体焊接工艺的热离子发电实验装置的去除控温容器的局部剖视图。

图3为根据本发明的采用电极组件整体焊接工艺的热离子发电实验装置的发射极组件的剖视图。

图4为根据本发明的采用电极组件整体焊接工艺的热离子发电实验装置的接收极组件的剖视图。

图5为根据本发明的采用电极组件整体焊接工艺的热离子发电实验装置的电极连接组件的局部剖视图。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

如图1和图2所示，分别示出根据本发明的采用电极组件整体焊接工艺的热离子发电实验装置10的透视图和局部剖视图。热离子发电实验装置10包括用于发射电子的发射极组件12、与发射极组件12对准并用于接收由发射机组件12发射的电子的接收极组件14以及设置在发射极组件12与接收极组件14之间并且形成使电子穿过的空间的电极连接组件16。以下将参照附图分别对根据本发明的热离子发电实验装置10的各个组成部分进行说明。

首先，参照附图3，对根据本发明的采用电极组件整体焊接工艺的热离子发电实验装置10的发射极组件12进行说明。发射极组件12包括加热器单元122和发射端单元124，其中，加热器单元122为电加热器单元，其包括电加热器1222、用于支承电加热器1222的加热器支架1224、用于为加热器支架1224提供支承并且为电加热器1222提供电源负极的第一法兰1226、以及用于为电加热器1222提供电源正极的第二法兰组件1228。电加热器1222可以采用高温电热材料，比如可以为钨，当然，也可以采用其他高温电热材料，在此不做具体限定。电加热器1222可以通过焊接等连接方式连接至加热器支架1224，加热器支架1224则固定地连接至第一法兰1226，在此也可以通过焊接的方式进行连接。第一法兰1226与第二法兰组件1228密封且绝缘地连接，比如可以在第一法兰1226与第二法兰组件1228之间设置隔离垫，该隔离垫可以既能起到密封的作用，还能起到绝缘的作用，此外，还可以在第一法兰1226与第二法兰组件1228之间设置密封环，用于提高两者之间的密封性。第一法兰1226可以与电源的负极相连，用于为电加热器1222提供电源负极，第二法兰组件1228可以连接至电源的正极，用于为电加热器1222提供电源正极。

用于为电加热器1222提供电源正极的第二法兰组件1228包括第二法兰12282、设置在第二法兰12282的中心孔内的陶瓷套筒12284以及设置在陶瓷套筒12284内的电极芯柱12286，电极芯柱12286可以连接至外部电源的正极，从而通过电极芯柱12286为电加热器1222提供电源正极。

发射端单元124包括发射极端板1242、用于支承发射极端板1242的第一支承管1244、套设在第一支承管1244的外周的热屏蔽管1246以及用于支承上述第一支承管1244和热屏蔽管1246的第三法兰1248。发射极端板1242作为根据本发明的热离子发电实验装置的发射极，用于向接收极发射电子，其由金属材料制成，比如可以由钨制成。此外，由于需要对发射极端板1242的温度进行监测，为此在发射极端板1242的内部设置有容纳相关温度检测装置的监测孔，在此为通孔。发射极端板1242可以焊接到第一支承管1244的端部上，比如可以通过电子束焊的方式进行焊接，第一支承管1244也可以由钼材料制成，电加热器1222设置在第一支承管1244的内部。在此可以根据发射极端板1242和第一支承管1244的材料来选择合适的焊接方式，例如对于如上所述的由钨制成的发射极端板1242和由钼制成第一支承管1244而言，采用电子束焊接的方式实现钨与钼的焊接，在此所采用的焊接工艺参数为：电流为18.5mA，焊接时间为15s。

第一支承管1244的另一端部固定地连接至第三法兰1248，在此第一支承管1244的另一端部通过焊接方式连接至第三法兰1248。热屏蔽管1246也可以由钼材料制成，并且其也可以焊接至第三法兰1248。如附图3所示，热屏蔽管1246的端部平面与发射极端板1242的外侧表面基本齐平或者发射极端板1242的外侧表面稍微突出。在此热屏蔽管1246可以设置为双层结构，即包括套置在一起的两个热屏蔽管，由此能够为第一支承管1244及其内部的电加热器1222提供更优良的隔热性能。

由于第三法兰1248一般由不锈钢(本文中指代S.S.304型不锈钢，下同)制成，因此为了提高第一支承管1244和热屏蔽管1246与第三法兰1248之间的可焊接性，在第三法兰1248的与第一支承管1244和热屏蔽管1246焊接的位置处设置可伐过渡件1250，可伐过渡件1250可适于与多种金属或非金属材料进行焊接，比如其可以为铌锆合金，通过采用可伐过渡件1250可以使得第一支承管1244和热屏蔽管1246分别焊接在可伐过渡件1250上，而可伐过渡件1250则能够焊接到第三法兰1248上。此外，为了提高第三法兰1248的临近热屏蔽管1246的一侧的密封性，可以在热屏蔽管1246的侧面上设置容纳密封环的环形槽，以便与其他部件密封连接时提供该连接表面的绝对密封。还可以在第三法兰1248的周缘上设置抽气接口1252，可以通过抽气接口1252对发射极组件12的内部进行抽真空处理，由此使得电加热器1222等部件处于真空状态下操作。

为了确保发射极组件12的内部的密封性以及加热器单元122与发射端单元124之间的绝缘关系，也就是第一法兰1226与第三法兰1248之间的绝缘关系，需要使加热器单元122与发射端单元124进行绝缘密封连接，即在第一法兰1226与第三法兰1248之间建立绝缘密封连接。在此通过第一金属陶瓷封接件126(本文所述的金属陶瓷封接件可为可伐-Al₂O₃-可伐，下同)对第一法兰1226与第三法兰1248进行焊接连接，来实现加热器单元122和发射端单元124的绝缘密封连接。第一金属陶瓷封接件126可以设置成包括第一陶瓷件1262以及设置在第一陶瓷件1262的两侧的第一可伐部件1264和第二可伐部件1266，第一可伐部件1264的一侧能够与第三法兰1248焊接在一起，而第一可伐部件1264的另一侧能够与第一陶瓷件1262焊接在一起，相应地，第二可伐部件1266的一侧可以与第一法兰1226焊接在一起，而第二可伐部件1266的另一侧可以与第一陶瓷件1262焊接在一起，由此可以形成发射极组件12的密封的内部空间。第一可伐部件1264和第二可伐部件1266可以为可伐合金，比如为铌锆合金，第一陶瓷件1262可以由氧化铝材料制成。通过采用第一金属陶瓷封接件126不仅能够为第一法兰1226与第三法兰1248提供绝缘关系，而且能够通过焊接的方式来实现两者之间的密封连接。由此，实现了加热器单元122与发射端单元124之间的密封和绝缘连接。

第一金属陶瓷封接件126与第一法兰1226和第三法兰1248之间的焊接可以采用钎焊方式来实现。进一步地，为了避免分步焊接造成第一陶瓷件1262的热应力破损漏气，第一金属陶瓷封接件126与位于其两侧的由不锈钢制成的第一法兰1226和第三法兰1248采用整体钎焊的方式进行焊接，比如同时进行第一法兰1226与第二可伐部件1266之间、第二可伐部件1266与第一陶瓷件1262之间、第一陶瓷件1262与第一可伐部件1264之间以及第一可伐部件1264与第三法兰1248之间的钎焊焊接，从整体上来说，也是将加热器单元122和发射端单元124同时与第一金属陶瓷封接件126进行焊接，也就是同时进行4道焊缝的焊接作业，由此可以大大减小焊接作业时在各个焊接部件之间产生的热应力，防止由于热应力而产生的部件变形，从而防止焊缝的破裂。在此，在对可伐部件与陶瓷件进行真空钎焊之前，需要提前对由Al₂O₃制成的陶瓷件进行金属化处理，并且钎焊焊料采用AgCu28。在同时进行4道焊缝的整体钎焊时，需要对工件进行夹持固定，焊接工艺参数为：钎焊温度为885℃，保温时间为15min。

电加热器1222设置在第一支承管1244内，电加热器1222通过电极芯柱12286连接外部的直流电源，在直流电的作用下使电加热器1222的钨加热片升高至1000℃左右的高温产生热电子发射，在此基础上对钨加热片施加负压，以使电子加速轰击到发射极端板1242上，从而获得所需的发射温度，并且电子由发射极端板1242发射出去。

以下参照附图4对根据本发明的采用电极组件整体焊接工艺的热离子发电实验装置10的接收极组件14进行说明。接收极组件14包括接收端单元142和为接收端单元142提供密封的第四法兰144。接收端单元142包括接收极端板1422、用于支承接收极端板1422的第二支承管1424以及用于支承上述第二支承管1424的支承件1426。接收极端板1422可以具有与发射极端板1242相同或相似的结构，接收极端板1422作为根据本发明的热离子发电实验装置10的接收极，用于接收来自发射极的电子，其由金属材料制成，比如可以由钼制成。由于需要对接收极端板1422的温度进行监测，因此在接收极端板1422的内部设置有容纳相关温度检测装置的监测孔，比如如图所示的通孔。接收极端板1422可以焊接到第二支承管1424的端部上，比如可以通过电子束焊的方式进行焊接，第二支承管1424也可以由钼材料制成，第二支承管1424的另一端部固定地连接至支承件1426，在此，支承件1426可以由可伐材料制成，比如为铌锆合金。第二支承管1424可以由钼制成，由此可以直接焊接到支承件1426上。在接收极端板1422和第二支承管1424均由钼材料制成的情况下，两者可以一体地成型，比如可以通过在柱形钼材料中去除内部材料以形成盲孔的方式形成接收极端板1422和第二支承管1424。

进一步地，第四法兰144用于为接收极组件14提供密封，当将接收极组件14连接至电极连接组件16时，第四法兰144能够与电级连接组件14紧密地密封。为了确保支承件1426与第四法兰144之间的绝缘和密封关系，也就是为了实现第四法兰144与接收端单元142之间的绝缘密封连接，需要将支承件1426与第四法兰144进行绝缘密封连接，在此可以通过第二金属陶瓷封接件146对支承件1426与第四法兰144进行焊接连接。第二金属陶瓷封接件146可以设置成包括第二陶瓷件1462以及设置在第二陶瓷件1462的两侧的第三可伐部件1464和第四可伐部件1466，第三可伐部件1464的一侧能够与支承件1426焊接在一起，而第三可伐部件1464的另一侧能够与第二陶瓷件1462焊接在一起，相应地，第四可伐部件1466的一侧可以与第四法兰144焊接在一起，而第四可伐部件1466的另一侧可以与第二陶瓷件1462焊接在一起，由此可以形成支承件1426与第四法兰144之间(也即第四法兰144与接收端单元142之间)的绝缘密封连接。第三可伐部件1464和第四可伐部件1466可以由可伐合金制成，比如为铌锆合金，第二陶瓷件1462可以由氧化铝材料制成。通过采用第二金属陶瓷封接件146能够为支承件1426和第四法兰144提供具有良好绝缘性能的密封连接。由于可伐合金具有与金属和非金属材料的良好焊接性能，因此能够通过可伐材料实现不同金属之间、金属与非金属之间以及非金属与非金属之间的固定连接。

第二金属陶瓷封接件146与支承件1426和第四法兰144之间的焊接可以采用真空钎焊方式来实现。进一步地，为了避免分步焊接造成第二陶瓷件1462的热应力破损，第二金属陶瓷封接件146与位于其两侧的支承件1426和第四法兰144采用整体真空钎焊的方式进行焊接，比如同时进行支承件1426与第三可伐部件1464之间(即为接收端单元142与第四法兰144之间)、第三可伐部件1464与第二陶瓷件1462之间、第二陶瓷件1462与第四可伐部件1466之间以及第四可伐部件1466与第四法兰1466之间的钎焊焊接，也就是同时进行4道焊缝的焊接作业，由此可以大大减小焊接作业时在各个焊接部件之间产生的热应力，防止由于热应力而产生的部件变形，从而防止焊缝以及相关焊接部件的破裂。

为了对接收极端板1422进行温度控制，在第二支承管1424内设置有温控组件148，该温控组件148包括设置在第二支承管1424的中心的冷却套管1482以及缠绕地形成在第二支承管1424的内壁上的电加热线圈1484，由此可以在需要降温冷却时开启冷却套管1482对第二支承管1424以及接收极端板1422进行冷却，而当需要升温加热时，则通过电加热线圈1484对第二支承管1424和接收极端板1422进行加热，在此可以为直流加热。冷却套管1482为套置在一起的两根管道，两个管道可以在与接收极端板1422连接的端部流体连通，从而形成内管流入、外管流出的冷却剂(比如可以为惰性气体)循环通道，或者形成外管流入、内管流出的冷却剂循环通道。冷却套管1482可以连接至外部的冷却剂循环系统，由此对冷却剂进行循环，以获得良好的冷却效果。

为了防止发射极边缘的加强发射效应所造成的等离子体区域外溢现象，在接收极组件14的端部设置保护套1428，保护套1428套置在接收极端板1422和第二支承管1424的端部上。保护套1428可以由氧化铝制成，做成圆筒状，该圆筒状的保护套1428的与接收极端板1422相配合的端部形成有内倒角(如图4所示)，从而与具有外倒角的接收极端板1422相匹配。由此可以使入射到接收极端板1422的外缘或外缘的外部的电子被保护套1428吸收，而不会形成电子的外溢现象。保护套1428可以通过设置在其内侧的卡簧1429卡止在第二支承管1424的外表面上。可以通过保护套1428将等离子体的形成区域限制在电极的正对面积上，由此保证了接收电流的精确性。

图5示出根据本发明的热离子发电实验装置10的电极连接组件16的局部剖视图。电极连接组件16提供发射极组件12与接收极组件14之间的连接空间，由发射极组件12发射的电子穿过该连接空间并由接收极组件14接收。在由电极连接组件16提供的电子穿过的空间中充满铯蒸气，铯蒸气使穿过其中的电子电离为等离子体，从而降低了电子输运过程中的势垒。该电极连接组件16包括发射极连接管道162、接收极连接管道164以及充铯管道166，其中，发射极连接管道162和接收极连接管道164同轴地设置，即发射极连接管道162的轴线和接收极连接管道164的轴线沿轴向方向对齐或重合，从而使得安装在发射极连接管道162内的发射极端板1242与安装在接收极连接管道164内的接收极端板1422能够中心地对准，从而使得从发射极端板1242发射出的电子能够尽可能地全部输运到接收极端板1422上。在此有利地，充铯管道166与发射极连接管道162和接收极连接管道164垂直地设置，即三者可以成“丁”字形设置。可以在充铯管道166上设置充铯连接法兰1662，用于与来自铯罐的管道连接在一起，由此将铯罐内的铯充入到电极连接组件16的腔内。

进一步地，发射极连接管道162和接收极连接管道164各自包括一个固定法兰，也就是说，发射极连接管道162包括第一固定法兰1622，接收极连接管道164包括第二固定法兰1642，第一固定法兰1622能够与发射极组件12的第三法兰1248相对固定地连接在一起，并且两者之间相对密封，第二固定法兰1642则能够与接收极组件14的第四法兰144相对固定地连接在一起，并且两者之间也相对密封。在发射极连接管道162和接收极连接管道164之间的连接位置处形成有能够观察发射极端板1242与接收极端板1422之间的相对位置关系的观察窗168。

为了缓和根据本发明的热离子发电实验装置10的热应力以及防止由热应力引起的部件变形，可以在发射极连接管道162和/或接收极连接管道164上设置弹性连接部件，比如为波纹管，优选地，在发射极连接管道162或接收极连接管道164上设置一个弹性连接部件即可。在如图5所示的实施例中，仅在接收极连接管道164上设置弹性连接部件170，由于弹性连接部件170具有可伸缩性，因此，能够应对由发射极组件12、接收极组件14和/或电极连接组件16的热应力而产生的变形。

此外，还可以在充铯管道166上设置备用连接法兰1664，可以在充铯连接法兰1662不方便使用的情况下，利用备用连接法兰1664连接铯罐。还可以在发射极连接管道162和接收极连接管道164连接的位置处设置备用充气通道172，可以通过备用充气通道172向电极连接组件16的腔内充入其他的所需气体。

如图2所示，根据本发明的热离子发电实验装置10还包括用于调节发射极组件12与接收极组件14之间的距离的间距调节机构18，可以通过间距调节机构18调节电极连接组件16的第一固定法兰1622与第二固定法兰1642之间的距离，可以通过弹性连接部件170实现在确保良好密封条件下的间距调节。间距调节机构18设计成用于驱动第一固定法兰1622或第二固定法兰1642运动，从而改变发射极端板1242和接收极端板1422之间的距离，由此能够对发射极端板1242和接收极端板1422之间的距离与热离子发电实验装置10的发电特性之间的关系进行研究。

在此，通过在热离子发电实验装置10中加入对发射极组件12与接收极组件14之间的距离进行调节和测量的间距调节机构18，能够测量并调节发射极端板1242与接收极端板1422之间的间距，从而改变热离子发电实验装置10的伏安特性，并基于此对电极间距与热离子发电实验装置的发电特性之间的相关性进行实验研究。

参照附图2对根据本发明的热离子发电实验装置10的间距调节机构18的具体结构进行说明。间距调节机构18包括与接收极组件14的第四法兰144相对固定地连接的传动板182、与传动板182传动地连接并且驱动传动板182运动的传动杆184以及驱动传动杆184运动的驱动机构186。驱动机构186可以为千分尺驱动机构，即能够在驱动传动杆184的运动的同时还能够非常精确地测量或控制传动杆184的运动距离。在此，可以使驱动机构186与传动杆184螺纹配合，以及使驱动机构186轴向固定并且周向可旋转，由此在周向旋转驱动机构186时，传动杆184沿着轴向方向前后运动，由此驱动传动板182运动，传动板182通过连接杆188带动第四法兰144运动，由此使得接收极组件14连同电极连接组件16的接收极连接管道164的位于弹性连接部件170的远离发射极组件12的一侧部分一起运动，从而改变发射极组件12与接收极组件14之间的距离。当然，也可以将驱动机构186设置成固定结构，与驱动机构186螺纹配合的传动杆184可以相对驱动机构186做旋转运动，相应地，传动杆184与传动板182之间能够相对旋转，但是两者沿轴向方向相对固定，由此，驱动传动杆184旋转时相对于驱动机构186的轴向运动则能够传递至传动板182，传动板182则通过连接杆188带动接收极组件12运动。在此，也可将间距调节机构18设置成驱动热离子发电实验装置10的位于弹性连接部件170的另一侧的部件，比如驱动发射极组件12以及电极连接组件16的发射极连接管道162，由此也可以调节发射极组件12与接收极组件14之间的间距。当然，还可以将弹性连接部件170设置在发射极连接管道162上，同时，间距调节机构18也可以设置成驱动发射极组件12和接收极组件14中的任一者。

由此可以通过间距调节机构18改变或设定发射极组件12的发射极端板1242与接收极组件14的接收极端板1422之间的间距，从而为研究该间距与热离子发电实验装置10的发电特性之间的关系提供的基础保障。

为了解决铯蒸气的温控问题，将发射极组件12、接收极组件14以及电极连接组件16设置在控温容器20内，控温容器20主要用于控制从铯罐流出的位于充铯管道和电极连接组件16的腔内的铯蒸气的温度，以确保充铯管道内的铯蒸气的温度高于铯罐内的铯蒸气的温度。通过控制铯罐内的温度来控制电极连接组件16的腔内的铯蒸气的压力，从而对铯蒸气的压力对热离子发电实验装置10的发电性能的影响进行研究。可以在控温容器20的内壁上布置加热管或加热线圈，使整个热离子发电实验装置10维持在400℃左右的真空环境内，这种设计方式可以替代在全部充铯管道的外周上缠绕加热丝的方案，仅需在暴露于控温容器20的外部的充铯管道的外周上设置加热丝即可，由此避免铯冷点的出现。

控温容器20可以包括用于容纳热离子发电实验装置10的发射极组件12、接收极组件14以及电极连接组件16的筒状壳体202以及对筒状壳体202进行封闭的端盖204，筒状壳体202和端盖204可以分别设置在底座206上，筒状壳体202和端盖204中的任一者可以滑动地设置在底座206上，比如可以通过滑轨滑动地设置在底座206上，由此能够打开控温容器20以便对位于其中的热离子发电实验装置10进行检查和操作。相应地，可以在控温容器20的外部设置与热离子发电实验装置10相关的操作部件或连接部件，比如设置在筒状壳体202的侧壁上的与电极连接组件16的观察窗168相对应的观察口208，设置在筒状壳体202的端壁上的与电极芯柱12286相对应的外部电极法兰210。当然，可以在筒状壳体202和端盖204上设置有使热离子发电实验装置10与外部进行相关连接或操作的端口或接口，在此可根据实际需求进行布置。

根据本发明的热离子发电实验装置10具有模块化设计的特点，其主要包括发射极组件、接收极组件和电极连接组件三个模块，这种模块化设计的优点是有利于各个模块的维护和更换。电极连接组件可以作为一个相对固定的模块，在需要更换电极材料时，可以对发射极组件或接收极组件快捷地进行整体更换。比如在操作过程中某个模块发生破坏或损毁，可以将破坏的模块单独拆卸，以便对其进行维修或更换，而没有出现问题的模块则可以保持原有状态并可继续使用，从而加快了设备的维护保养进程，缩短了维修周期。

根据本发明的热离子发电实验装置通过对金属陶瓷封接件与两侧的金属部件进行整体钎焊焊接，解决了陶瓷在焊接过程以及后续使用过程中由于热应力而破损开裂的问题，确保金属陶瓷封接件具有更好的绝缘和密封性能以及具有更长的使用寿命。设计了套置在接收极组件的端部的陶瓷保护套，由此能够将等离子体区域约束在电极的正对面积中，从而防止了等离子体的外溢。本发明还通过驱动机构和传动杆来驱动发射极组件和接收极组件发生相对运动，从而调节发射极组件与接收极组件之间的间距，进一步通过具有千分尺的千分尺驱动机构来测量电极之间的间距，还通过弹性连接件，比如波纹管，来在调节间距的同时实现电极连接组件的内腔的密封，由此可以通过间距调节机构来对间距与热离子发电实验装置的发电特性的关系进行研究。本发明进一步设计了容纳热离子发电实验装置的发射极组件、接收极组件以及电极连接组件的控温容器，通过对控温容器进行加热，以实现对铯蒸气的温度控制，从而无需在全部充铯管道的外周布置加热丝(仅需在暴露于控温容器的外部的充铯管道的外周布置适量加热丝)，由此对铯温以及铯压的控制更加准确。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种采用电极组件整体焊接工艺的热离子发电实验装置，包括：

发射极组件，用于发射电子；

接收极组件，与所述发射极组件对准地设置并用于接收由所述发射极 组件发射的电子；以及

电极连接组件，设置在所述发射极组件与所述接收极组件之间，并且形成使所述电子穿过的空间，

其中，所述发射极组件包括加热器单元和发射端单元，在所述加热器单元和发射端单元之间设置有第一金属陶瓷封接件，所述第一金属陶瓷封接件包括第一陶瓷件以及设置在所述第一陶瓷件的两侧的第一可伐部件和第二可伐部件，

其特征在于，在所述发射极组件的制造过程中，同时执行所述加热器单元与所述第二可伐部件之间、所述第二可伐部件与所述第一陶瓷件之间、所述第一陶瓷件与所述第一可伐部件之间以及所述第一可伐部件与所述发射端单元之间的焊接；

所述接收极组件包括接收端单元和为所述接收端单元提供密封的第四法兰，在所述接收端单元与所述第四法兰之间设置有第二金属陶瓷封接件；

所述第二金属陶瓷封接件包括第二陶瓷件以及设置在所述第二陶瓷件的两侧的第三可伐部件和第四可伐部件，其中，在所述接收极组件的制造过程中，同时执行所述接收端单元与所述第三可伐部件之间、所述第三可伐部件与所述第二陶瓷件之间、所述第二陶瓷件与所述第四可伐部件之间以及所述第四可伐部件与所述第四法兰之间的焊接。

2.根据权利要求1所述的热离子发电实验装置，其特征在于，所述加热器单元包括电加热器、用于支承所述电加热器的加热器支架、用于为所述加热器支架提供支承并且为所述电加热器提供电源负极的第一法兰以及用于为所述电加热器提供电源正极的第二法兰组件。

3.根据权利要求2所述的热离子发电实验装置，其特征在于，所述发射端单元包括发射极端板、用于支承所述发射极端板的第一支承管以及用于支承所述第一支承管的第三法兰。

4.根据权利要求3所述的热离子发电实验装置，其特征在于，所述第一金属陶瓷封接件设置在所述第一法兰与所述第三法兰之间，所述焊接为整体钎焊焊接。

5.根据权利要求3所述的热离子发电实验装置，其特征在于，所述发射端单元还包括套设在所述第一支承管的外周的热屏蔽管，所述热屏蔽管由所述第三法兰支承。

6.根据权利要求1所述的热离子发电实验装置，其特征在于，所述接收端单元包括接收极端板、用于支承所述接收极端板的第二支承管以及用于支承所述第二支承管的支承件。

7.根据权利要求6所述的热离子发电实验装置，其特征在于，所述第二金属陶瓷封接件设置在所述支承件与所述第四法兰之间，所述焊接为整体钎焊焊接。

8.根据权利要求6所述的热离子发电实验装置，其特征在于，在所述第二支承管内设置有温控组件。

9.根据权利要求8所述的热离子发电实验装置，其特征在于，所述温控组件包括设置在所述第二支承管的中心的冷却套管以及缠绕地形成在所述第二支承管的内壁上的电加热线圈。

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