CN112055428B - 一种用于在真空中实现高温环境的往复式加热线圈结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在真空中实现高温环境的往复式加热线圈结构，包括接线端子和偶数个定型导体；所述定型导体成桶状并排设置以形成加热空间；相邻的两个定型导体有且仅有一端相互连接；同一定型导体的两端分别和与其相邻的两个定型导体连接；所述接线端子连接在所述定型导体上。本发明的有益效果如下：本发明的定型导体呈往复式排列，除电流进出的一小段导体外，其余各段相邻的导体电流大小相同，方向相反，产生的磁场可相互抵消，与螺线型加热线圈相比，整个加热线圈产生的磁场可大幅减小。线圈的接线端子可以根据实际需求进行调整，特别是接线端子位于加热空间同一端时，有利于减小线圈整体的尺寸。
Description
技术领域
本发明属于离子束研究领域，具体涉及一种用于在真空中实现高温环境的往复式加热线圈结构。
背景技术
如图1所示，离子源进料的结构包括进料管道1、电离弧室2、产生电离所需磁场的励磁线圈3和引出电极4组成。电离弧室是电离发生的区域，励磁线圈通常位于电离弧室外部，在离子源电离弧室内产生电离发生所需的磁场；弧室后紧挨着引出电极，但弧室和引出电极处于不同电位。
常温下为固体形态的材料，需要高温环境使其变为蒸气后并迁移到电离腔室才能发生电离形成离子。蒸气在向电离腔室迁移的过程中，如果遇到了冷点就会凝固。为了防止材料蒸气冷凝在进料管路或电离腔室内，造成堵塞或电离异常，通常利用加热线圈在进料管路或电离弧室的必要位置建立所需的高温环境，防止出现冷点导致材料蒸气冷凝。用于实现高温环境的加热线圈结构必须紧凑，否则会加大离子源整体尺寸。
而在真空中实现高温环境常用到加热电极或加热线圈。加热线圈是一段特定形态且具有一定电阻值的导体。螺线型加热线圈是一种常见的线圈形态，如图2所示，可以将它包裹在蒸气迁移或电离的路径上通过阻尼加热的方式来建立所需的高温环境。但这种形态的线圈存在的问题有两个，一个是螺线型加热线圈由于加热电流也随线圈呈螺旋线分布，会在蒸气迁移路径上产生轴向磁场，而这种磁场在某些区域是不利的，比如离子源电离区内，加热线圈所产生的轴向场可能会造成离子源电离所需的磁场结构发生偏移。另一个问题是的用于加载电流的接线端子必须位于螺线型线圈的首尾两端，这会给一些应用场景带来困难，如离子源电离弧室两端通常位于不同电位，螺线型加热线圈的接线必须绕至同一端才能进行电流加载，而这将增加加热线圈所占空间，而这会增大整个离子源的尺寸也使其设计复杂化。螺线型的加热线圈常由单根金属导体线绕制，为防止在高温环境下发生变形，在线圈内部或外部常加上支撑材料对其支撑定型，这也进一步加大了线圈的尺寸。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种用于在真空中实现高温环境的往复式加热线圈结构，能够大幅降低的加热线圈产生的磁场影响。
本发明的技术方案如下：
一种用于在真空中实现高温环境的往复式加热线圈结构，包括接线端子和偶数个定型导体；所述定型导体成桶状并排设置以形成加热空间；相邻的两个定型导体有且仅有一端相互连接；同一定型导体的两端分别和与其相邻的两个定型导体连接；所述接线端子连接在所述定型导体上。
进一步地，上述的用于在真空中实现高温环境的往复式加热线圈结构，所述接线端子为两个，设置在所述加热空间的同一端或分别设置在所述加热空间的两端。
进一步地，上述的用于在真空中实现高温环境的往复式加热线圈结构，所述加热空间的横截面为圆形或多边形。
进一步地，上述的用于在真空中实现高温环境的往复式加热线圈结构，所述加热空间的形状与被加热物项的形状相匹配。
进一步地，上述的用于在真空中实现高温环境的往复式加热线圈结构，所述接线端子与所述定型导体固定连接以对所述定型导体进行支撑。
进一步地，上述的用于在真空中实现高温环境的往复式加热线圈结构，所述定型导体成片状或条状或柱状。
进一步地，上述的用于在真空中实现高温环境的往复式加热线圈结构，所述定型导体的材质为石墨、钽、钨或钼。
本发明的有益效果如下：
1、本发明的定型导体呈往复式排列，除电流进出的一小段导体外，其余各段相邻的导体电流大小相同，方向相反，产生的磁场可相互抵消，与螺线型加热线圈相比，整个加热线圈产生的磁场可大幅减小。
2、线圈的接线端子可以根据实际需求进行调整，特别是接线端子位于加热空间同一端时，有利于减小线圈整体的尺寸。
3、定型导体材质为具有结构刚性的材质，加热过程中能够保持外观形状稳定，无需额外的支撑结构，有利于降低整体结构体积。
4、接线端子能够对定型导体进行支撑，无需再对线圈结构自身支撑，有助于降低整体结构体积。
附图说明
图1为离子源进料的结构示意图。
图2为螺线型线圈的结构示意图。
图3为本发明的用于在真空中实现高温环境的往复式加热线圈结构的示意图。
上述附图中，1、进料管道；2、电离弧室；3、励磁线圈；4、引出电极；5、接线端子；6、接线端子；7、定型导体；8、定型导体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图3所示，本发明公开了一种用于在真空中实现高温环境的往复式加热线圈结构，包括接线端子和偶数个定型导体；所述定型导体成桶状并排设置以形成加热空间；相邻的两个定型导体有且仅有一端相互连接；同一定型导体的两端分别和与其相邻的两个定型导体连接；所述接线端子连接在所述定型导体上。所述接线端子为两个，设置在所述加热空间的同一端或分别设置在所述加热空间的两端。线圈的接线端子可以根据实际需求进行调整，特别是接线端子位于加热空间同一端时，有利于减小线圈整体的尺寸。接线端子通过导线与加热电源的输出端子相接，加载电流后通过欧姆加热使线圈处于高温状态，再通过辐射加热的方式在加热空间内建立高温环境。
本发明的定型导体呈往复式排列，除电流进出的一小段导体外，其余各段相邻的导体电流大小相同，方向相反，产生的磁场可相互抵消，与螺线型加热线圈相比，整个加热线圈产生的磁场可大幅减小。例如，在图3中，接加热电流由接线端子5进入，经由两个支路由接线端子6流出。该加热电流经过任意一个定型导体时，均有相邻的定型导体的电流方向与其电流方向相反，大小相同，产生的磁场相互抵消，因此整个加热线圈产生的磁场可大幅减小。
本发明可用于在真空中一定区域内建立高温环境，适用于对线圈产生磁场有所限制的区域，如离子源电离区，或者对线圈结构尺寸要求比较严格的场合等。
所述加热空间的形状与被加热物项的形状相匹配。一般情况下，其横截面可以是圆形或多边形或其他不规则形状。定型导体的电阻率、截面和长度参数决定了线圈的阻值。因此，实际应用中，可依据阻尼加热功率Q＝I2*R和加热空间的目标温度选择定型导体的材料、截面(厚度和宽度)及长度、加热电流大小。
所谓定型导体为具有一定结构刚性的导体。所述定型导体成片状或条状或柱状，加热电流通过这些形状的导体时产生的磁场规则，便于磁场影响的叠加抵消。所述定型导体的材质为石墨、钽、钨或钼，这些材料耐高温且电阻率较大，更有利于加热。定型导体材质为具有结构刚性的材质，自身已有机械定型，加热过程中能够保持外观形状稳定，无需额外的支撑结构，有利于降低整体结构体积。所述接线端子与所述定型导体固定连接以对所述定型导体进行支撑，无需再对线圈结构自身支撑，有助于降低整体结构体积。
以下为本发明的一个应用实例：
堆内靶源系统在离线调试时，由于缺少反应堆所产生的中子，靶源系统不会自动处于高温状态，需要建立高温工作环境模拟靶源系统在堆内孔道的工作状态。
为满足上述的加热空间需求，本发明的往复式加热线圈采用的定型导体为截面8*2mm的石墨薄片，沿直径55mm长80mm的圆柱表面呈往复式对称分布形成加热空间，除与接线端子相连的导体段外，相邻导体段的电流方向相反，有效减少了加热线圈所产生的磁场。该实施例中加热线圈最高可加载20kW的热功率。加热电流进出的两个接线端子位于线圈同一端有效减小加热线圈的尺寸，利用连接组件引至真空外与加热电源输出端子相接。采用高温辐射加热的方式，该加热线圈在真空环境中可使堆内靶源系统处于最高温度2300K的加热空间内。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种用于在真空中实现高温环境的往复式加热线圈结构，其特征在于，包括接线端子和偶数个具有结构刚性的定型导体；所述定型导体成桶状并排设置以形成加热空间；相邻的两个定型导体有且仅有一端相互连接；同一定型导体的两端分别和与其相邻的两个定型导体连接；所述接线端子连接在所述定型导体上；所述接线端子为两个，设置在所述加热空间的同一端或分别设置在所述加热空间的两端，所述接线端子与所述定型导体固定连接以对所述定型导体进行支撑，无需额外的支撑结构。
2.如权利要求1所述的用于在真空中实现高温环境的往复式加热线圈结构，其特征在于，所述加热空间的横截面为圆形或多边形。
3.如权利要求1所述的用于在真空中实现高温环境的往复式加热线圈结构，其特征在于，所述加热空间的形状与被加热物项的形状相匹配。
4.如权利要求1所述的用于在真空中实现高温环境的往复式加热线圈结构，其特征在于，所述定型导体成片状或条状或柱状。
5.如权利要求1-4任一所述的用于在真空中实现高温环境的往复式加热线圈结构，其特征在于，所述定型导体的材质为石墨、钽、钨或钼。
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