CN112858383A - 一种用于高热流测试的长脉冲离子束多功能样品测试室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高热流测试的长脉冲离子束多功能样品测试室，它的原理是基于MW级强流离子束作为热源对样品的换热性能进行测试，包括离子源，高真空样品室、抽真空系统、冷却水供水系统、诊断系统、控制系统。其中，离子源可产生高功率长脉冲离子束。高真空样品室内置样品放置平台，外置多种法兰和抽真空系统，在抽真空系统作用下可形成真空测试环境。本发明的多功能样品测试室可实现测试时间的可控、加热面的可调以及样品状态的实时诊断与反馈，适用于测试样件的换热性能分析和疲劳寿命测试。

Description

一种用于高热流测试的长脉冲离子束多功能样品测试室

技术领域

本发明涉及一种用于高热流测试的长脉冲离子束多功能样品测试室，具体涉及一种MW级强流长脉冲离子束加热测试样品室，适用于测试样件的换热性能分析和疲劳寿命测试。

背景技术

我国在核聚变领域、航空航天领域的不断发展，使得材料或者结构表面的单位热流密度已经达到几乃至几十甚至几百MW/m²量级，因此对材料或者结构的长脉冲(秒量级及以上)高换热性能以及疲劳使用寿命提出了越发苛刻的要求，为了研究并测试新材料或者换热结构的使用可靠性能需要开展一系列的测试模拟。为了更好匹配与还原在聚变装置上材料或者换热结构的工作环境，实现结构在长脉冲高热负荷下不同的换热及疲劳性能测试要求，因此需设计一种热流密度高(MW/m²)、加热面积可调，冷却条件可调，加热脉宽可调且稳定的加热测试室，对材料或者结构进行热性能分析和疲劳寿命的测试与评价。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种用于高热流测试的长脉冲离子束多功能样品测试室。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于高热流测试的长脉冲离子束多功能样品测试室，包括有离子源组件、高真空样品室腔体、诊断系统、控制系统、冷却水系统和抽真空系统，所述的离子源组件包括有离子源以及与离子源配套使用的电源系统和进气系统，所述的离子源通过法兰固定在高真空样品室腔体的上端，在高真空样品室腔体的侧面设有真空腔体门，所述的抽真空系统通过抽真空系统法兰和高真空插板阀与高真空样品室腔体下端的抽气口连接，在高真空样品室腔体上还通过检测法兰安装有真空规管，在高真空样品室腔体内部设有样品放置平台，在样品放置平台内设有冷却盘管，冷却水系统的冷却水管通过冷却水过渡法兰伸进高真空样品室腔体内部，并通过冷却水插板接头与冷却盘管连接，在样品放置平台上设有热电偶，热电偶通过导线、航空插头接口、航空插头与诊断系统连接，在高真空样品室腔体上端还设有观测窗口，在观测窗口处安装有红外热像仪，所述的电源系统、进气系统、真空规管、冷却水系统、诊断系统、抽真空系统和真空插板阀均与控制系统电连接。

所述的离子源为MW级长脉冲强流离子源，其中长脉冲指秒量级及以上，其中MW级是指输出电功率。

在所述的高真空样品室腔体内部位于离子源的正下方转动安装有可调限制器，所述的可调限制器为转动安装的倾斜挡板。

所述的高真空样品室腔体为气密性的圆柱形或立方体结构；所述的真空腔体门与高真空样品室腔体之间的最大开合角度为180°。

在所述的高真空样品室腔体上对应诊断系统处设有锗玻璃观测窗口，在所述的高真空样品室腔体的底部分别设有过压保护法兰及冷却水泄漏泄放法兰。

所述的样品放置平台通过调节螺杆实现高度和测试角度以及测试方向手动可调，高度调节范围为0～2500mm，测试角度调节范围为0～180°。

所述的抽真空系统为分子泵与罗茨泵机组相结合的形式，实现1.0×10-4pa极限真空度。

所述的真空规管采用复合热阴极规管；所述的热电偶为铠装K型热电偶，测温度范围为0～1000℃，距离待测面尺寸为1～3mm；所述的航空插头与航空插头接口采用内卡口式锁紧结构气密连接，航空插头为芯航空插头。

所述的冷却水系统包括有水箱和水泵，所述的水箱内设有加热器，所述的加热器和水泵均与控制系统电连接，通过控制系统调节加热器的加热功率，并对水泵参数设置，控制冷却水的压力。

所述诊断系统包括样件表面温度和进出水温、水压的监测，以及安装了红外热像仪等监控样件表面特性变化的光学窗口。其中，表面温度利用热电偶进行测量，进出水温通过铂电阻插入水侧进行测温，进口水压通过入口侧的压力传感器进行测定，这三个测量值通过航空插头与样品室法兰上的航空插头接口可插拔地气密连接实现的输出；

所述控制系统用于控制离子束流的引出启停，测试过程数据采集，并通过与诊断系统的连锁，包括红外热像仪温度测量值、热电偶温度值以及真空规管测量值等，在其阈值超过设定值之后与控制开关相连，实现安全报警并自动停止束引出。

所述的离子源的高压电源系统用于离子源腔体内等离子体的产生、离子束的引出和加速，从而获得高能离子束流进行热测试。

所述的离子源的进气系统可供应工作气体在电源系统的作用下实现等离子体的产生。

所述的离子源利用可调节限制器束引出后面积可调，可实现测试样件0～480mm的热测试长度可调。

各种法兰接口均通过密封胶圈密封。

所述冷却水系统水管与被冷却样件之间的连接采用快速插拔式接头，可以快速进行样件更换，并可耐受一定工作水压。

所述的测试功率可调，即通过控制系统设置匹配的束流电参数以及束引出时间，进而实现功率可调。

抽气机组通过样品室上的辅助接口法兰利用高真空插板阀与高真空样品室相连，实现样品室的抽真空和及时给关断；真空规管检测法兰固定在高真空样品室上，实现样品真空的监测。

根据本发明的另一方面，提出一种利用上述测试室进行高热流测试的长脉冲离子束多功能样品测试的方法，包括如下步骤：

步骤1、通过控制系统对冷却水系统的加热器和水泵的启动参数进行设置，按照初始供水压力与供水温度值进行设定后，开启运行，确保整个样件运行在被冷却的状态；

步骤2、启动抽真空系统工作，即对样品室腔体进行抽真空，同时经真空规管检测法兰固定的真空规实时测量样品室腔体内的真空度，达到真空要求后，开展束引出测试，同时诊断系统开启实时监测；

步骤3、根据测试功率的需求，通过控制系统对离子源的电源系统参数进行设置，同时调节进气系统的进气量，加载束引出高压，进行离子束引出，对样件进行高热流测试；

步骤4、诊断系统对每次脉冲束加载时间过程内样件的表面温度、压力、流量等变化、表面状态以及真空腔体内气体成份的进行检测并实时记录；

步骤5、判断样件的表面温度超过报警的上限温度，如果是则立即切断束加载高压；此外，如果判断表面出现裂纹变化至表面出现泄漏，同时气体成分检测系统出现大量水的成分，则立即切断束加载的电源系统，并关闭抽真空机组阀门，关闭冷却水系统运行，等待真空室腔体内的真空值恢复到一个大气压，则打开腔体门，进行测试样件更换。

有益效果：

本发明相对于现有技术的优点是：本发明多功能样品测试室具有很好的密封性，可在真空密闭状态下运行，热流密度高(MW/m²)、加热面积可调，冷却条件可调，加热时间和脉宽可调可控且稳定的多功能热流测试样品室，满足了多种分析测试条件需求，同时实现了样品室状态的自动化监控，使得该样品室的使用更加便捷、高效。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种用于高热流测试的长脉冲离子束多功能样品测试室，包括有离子源组件、高真空样品室腔体1、诊断系统2、控制系统3、冷却水系统4和抽真空系统5，所述的离子源组件包括有离子源6以及与离子源6配套使用的电源系统7和进气系统8，所述的离子源6通过法兰9固定在高真空样品室腔体1的上端，在高真空样品室腔体1的侧面设有真空腔体门10，所述的抽真空系统5通过抽真空系统法兰11和高真空插板阀12与高真空样品室腔体1下端的抽气口连接，在高真空样品室腔体1上还通过检测法兰安装有真空规管13，在高真空样品室腔体1内部设有样品放置平台14，在样品放置平台14内设有冷却盘管，冷却水系统4的冷却水管15通过冷却水过渡法兰16伸进高真空样品室腔体1内部，并通过冷却水插板接头17与冷却盘管连接，在样品放置平台14上设有热电偶，热电偶通过导线、航空插头接口18、航空插头与诊断系统2连接，在高真空样品室腔体1上端还设有诊断观测窗口19，在诊断观测窗口19处安装有红外热像仪20，所述的电源系统7、进气系统8、真空规管13、诊断系统2、冷却水系统4、抽真空系统5和真空插板阀12均与控制系统3电连接。

所述的离子源6为MW级长脉冲强流离子源，其中长脉冲指秒量级及以上，其中MW级是指输出电功率。

在所述的高真空样品室腔体1内部位于离子源的正下方转动安装有可调限制器21，所述的可调限制器21为转动安装的倾斜挡板。

所述的高真空样品室腔体1为气密性的圆柱形或立方体结构；所述的真空腔体门10与高真空样品室腔体1之间的最大开合角度为180°。

在所述的高真空样品室腔体1上对应诊断系统2处设有锗玻璃观测窗口，在所述的高真空样品室腔体1的底部分别设有过压保护法兰及冷却水泄漏泄放法兰。

所述的样品放置平台14通过调节螺杆实现高度和测试角度以及测试方向手动可调，高度调节范围为0～2500mm，测试角度调节范围为0～180°。

所述的抽真空系统5的抽气组件为分子泵与罗茨泵机组相结合的形式，实现1.0×10-4pa极限真空度。

所述的真空规管13采用复合热阴极规管；所述的热电偶为铠装K型热电偶，测温度范围为0～1000℃，距离待测面尺寸为1～3mm；所述的航空插头与航空插头接口采用内卡口式锁紧结构气密连接，航空插头为芯航空插头。

所述的冷却水系统4包括有水箱和水泵，所述的水箱内设有加热器，所述的加热器和水泵均与控制系统电连接。

根据本发明的一个实施例，所述诊断系统2包括样件表面温度和进出水温、水压的监测，以及安装了红外热像仪20等监控样件表面特性变化的光学窗口。其中，表面温度利用热电偶进行测量，进出水温通过铂电阻插入水侧进行测温，进口水压通过入口侧的压力传感器进行测定，这三个测量值通过航空插头与样品室法兰上的航空插头接口可插拔地气密连接实现的输出；

根据本发明的一个实施例，所述控制系统3用于控制离子束流的引出启停，测试过程数据采集，并通过与诊断系统2的连锁，包括红外热像仪温度测量值、热电偶温度值以及真空规管测量值等，在其阈值超过设定值之后与控制开关相连，实现安全报警并自动停止束引出。

根据本发明的一个实施例，所述的离子源的高压电源系统7用于离子源腔体内等离子体的产生、离子束的引出和加速，从而获得高能离子束流进行热测试。

根据本发明的一个实施例，所述的离子源的进气系统可供应工作气体在电源系统7的作用下实现等离子体的产生。

根据本发明的一个实施例，所述的离子源6利用可调节限制器21束引出后面积可调，可实现测试样件0～480mm的热测试长度可调。

根据本发明的实施例，所用到的各种法兰接口均通过密封胶圈密封。

根据本发明的一个实施例，所述冷却水系统水管与被冷却样件之间的连接采用快速插拔式接头，可以快速进行样件更换，并可耐受一定工作水压。

根据本发明的一个实施例，所述的测试功率可调，即通过控制系统3设置匹配的束流电参数以及束引出时间，进而实现功率可调。

抽气机组通过样品室上的辅助接口法兰利用高真空插板阀与高真空样品室相连，实现样品室的抽真空和及时给关断；真空规管检测法兰固定在高真空样品室上，实现样品真空的监测。

本发明的长脉冲离子束多功能样品测试室工作过程如下：

如图2所示，MW级强流离子源6、抽真空系统5、冷却水系统4、诊断系统2及控制系统3上电后，首先，通过控制系统3对冷却水系统4的加热器和水泵的启动参数进行设置，按照初始供水压力与供水温度值进行设定后，开启运行，确保整个样件可以运行在被冷却的状态。启动抽真空系统5的抽气机组工作，即对样品室腔体进行抽真空，同时经真空规管检测法兰固定的真空规实时测量样品室腔体内的真空度，达到真空要求后，可以开展束引出测试，同时诊断系统2开启实时监测。根据测试功率的需求，通过控制系统对离子源6的电源系统参数进行设置，同时调节进气系统的进气量，加载束引出高压，就可以进行离子束引出，对样件进行高热流测试。诊断系统2对每次脉冲束加载时间过程内样件的表面温度、压力、流量等变化、表面状态以及真空腔体内气体成份的进行检测并实时记录，一旦样件的表面温度超过报警的上限温度，则立即切断束加载高压；此外，一旦表面出现裂纹变化至表面出现泄漏，同时气体成分检测系统出现大量水的成分，则立即切断束加载的电源系统7，并关闭抽真空机组阀门，关闭冷却水系统运行，等待真空室腔体内的真空值恢复到一个大气压，则打开腔体门10，进行测试样件更换。

以上所述为本发明的具体实施例，但不能据此理解为本发明仅限于此，对于熟悉本领域的技术人员来说，在不背离本发明精神和实质的情况下所做出的改变和变形均属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于高热流测试的长脉冲离子束多功能样品测试室，其特征在于：包括有离子源组件、高真空样品室腔体、诊断系统、控制系统、冷却水系统和抽真空系统；

所述的离子源组件包括有离子源以及与离子源配套使用的电源系统和进气系统，所述的离子源通过法兰固定在高真空样品室腔体的上端，在高真空样品室腔体的侧面设有真空腔体门，所述的抽真空系统通过抽真空系统法兰和高真空插板阀与高真空样品室腔体下端的抽气口连接，在高真空样品室腔体上还通过检测法兰安装有真空规管，在高真空样品室腔体内部设有样品放置平台，在样品放置平台内设有冷却盘管，冷却水系统的冷却水管通过冷却水过渡法兰伸进高真空样品室腔体内部，并通过冷却水插板接头与冷却盘管连接，在样品放置平台上设有热电偶，热电偶通过导线、航空插头接口、航空插头与诊断系统连接，在高真空样品室腔体上端还设有诊断观测窗口，在诊断观测窗口处安装有红外热像仪，所述红外热像仪连接到诊断系统；所述的电源系统、进气系统、真空规管、诊断系统、冷却水系统、抽真空系统和真空插板阀均与控制系统电连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于高热流测试的长脉冲离子束多功能样品测试室，其特征在于：所述的离子源为MW级长脉冲强流离子源，其中长脉冲指秒量级及以上，其中MW级是指输出电功率。

3.根据权利要求2所述的一种用于高热流测试的长脉冲离子束多功能样品测试室，其特征在于：在所述的高真空样品室腔体内部位于离子源的正下方转动安装有可调限制器，所述的可调限制器为转动安装的倾斜挡板。

4.根据权利要求1所述的一种用于高热流测试的长脉冲离子束多功能样品测试室，其特征在于：所述的高真空样品室腔体为气密性的圆柱形或立方体结构；所述的真空腔体门与高真空样品室腔体之间的最大开合角度为180°。

5.根据权利要求1所述的一种用于高热流测试的长脉冲离子束多功能样品测试室，其特征在于：在所述的高真空样品室腔体侧面对应诊断系统处设有锗玻璃观测窗口，在所述的高真空样品室腔体的底部分别设有过压保护法兰及冷却水泄漏泄放法兰。

6.根据权利要求1所述的一种用于高热流测试的长脉冲离子束多功能样品测试室，其特征在于：所述的样品放置平台通过调节螺杆实现高度和测试角度以及测试方向手动可调，高度调节范围为0～2500mm，测试角度调节范围为0～180°。

7.根据权利要求1所述的一种用于高热流测试的长脉冲离子束多功能样品测试室，其特征在于：所述的抽真空系统为分子泵与罗茨泵机组相结合的形式，实现1.0×10-4pa极限真空度。

8.根据权利要求1所述的一种用于高热流测试的长脉冲离子束多功能样品测试室，其特征在于：所述的真空规管采用复合热阴极规管；所述的热电偶为铠装K型热电偶，测温度范围为0～1000℃，距离待测面尺寸为1～3mm；所述的航空插头与航空插头接口采用内卡口式锁紧结构气密连接，航空插头为芯航空插头。

9.根据权利要求1所述的一种用于高热流测试的长脉冲离子束多功能样品测试室，其特征在于：所述的冷却水系统包括有水箱和水泵，所述的水箱内设有加热器，所述的加热器和水泵均与控制系统电连接。冷却水系统包括有水箱和水泵，所述的水箱内设有加热器，所述的加热器和水泵均与控制系统电连接。

10.一种利用权利要求1-9之一的测试室进行高热流测试的长脉冲离子束多功能样品测试的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、通过控制系统对冷却水系统的加热器和水泵的启动参数进行设置，按照初始供水压力与供水温度值进行设定后，开启运行，确保整个样件运行在被冷却的状态；

步骤2、启动抽真空系统工作，即对样品室腔体进行抽真空，同时经真空规管检测法兰固定的真空规实时测量样品室腔体内的真空度，达到真空要求后，开展束引出测试，同时诊断系统开启实时监测；

步骤3、根据测试功率的需求，通过控制系统对离子源的电源系统参数进行设置，同时调节进气系统的进气量，加载束引出高压，进行离子束引出，对样件进行高热流测试；

步骤4、诊断系统对每次脉冲束加载时间过程内样件的表面温度、压力、流量等变化、表面状态以及真空腔体内气体成份的进行检测并实时记录；

步骤5、判断样件的表面温度超过报警的上限温度，如果是则立即切断束加载高压；此外，如果判断表面出现裂纹变化至表面出现泄漏，同时气体成分检测系统出现大量水的成分，则立即切断束加载的电源系统，并关闭抽真空机组阀门，关闭冷却水系统运行，等待真空室腔体内的真空值恢复到一个大气压，则打开腔体门，进行测试样件更换。

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