CN113244641B - 一种稀有金属的蒸发注射装置及蒸发注射方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及物理实验技术领域，具体涉及一种稀有金属的蒸发注射装置及蒸发注射方法，包括依次连接的蒸发炉、注射准备管、阀门、注射输出管和喷头，所述蒸发炉用于对稀有金属进行加热蒸发，所述注射准备管外壁上设置有第一螺纹加热单元，所述第一螺纹加热单元与第一螺纹凹槽相匹配，所述阀门上设置有阀体加热单元，所述注射输出管的外壁上设置有第二螺纹加热单元。本发明通过CF法兰对各部件接口进行连接，保证管路的密封性，同时分别设置第一螺纹加热单元、第二螺纹加热单元和阀体加热单元对管路进行均匀加热，杜绝管路上出现温度冷点，保证金属蒸汽能够安全、稳定地注入到稀有金属实验装置内，对促进稀有金属的实验研究具有重要意义。

Description

一种稀有金属的蒸发注射装置及蒸发注射方法

技术领域

本发明涉及物理实验技术领域，具体涉及一种稀有金属的蒸发注射装置及蒸发注射方法。

背景技术

在目前的科学发展环境中，一些涉及放射性元素的实验与大型科学装置在运行时，常会用到稀有金属气体。但稀有金属一般在常温下呈固体或液体状态，而实验要求却需要将其蒸发为金属蒸气并注入相应的容器或装置中。

但现有的技术中，如中国专利公开号CN112719269A公开的一种化工金属粉末注射成型用上料装置，包括箱体，所述箱体两侧的侧壁上呈对称状均安装有一个第一输送机构，两个所述第一输送机构之间共同安装有一个连接机构，所述箱体上开设有一个槽体机构，所述槽体机构上有一个第二输送机构，所述箱体上安装有一个过滤机构：该装置可以在两种物料进行混炼前对物料进行混合，从而可以提高物料混炼的均匀度。但是该装置只能用于金属粉末注射，而对于金属蒸汽，由于金属蒸汽本身性质的限定，易氧化、冷凝回流等特性，因而该装置无法用于金属蒸气的注射工作。

因此，为弥补现有技术中金属蒸汽注射装置的空白，本发明提供一种结构简单，使用便捷，能够有效解决金属蒸汽注射过程中易氧化、冷凝回流等问题的稀有金属的蒸发注射装置及蒸发注射方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种稀有金属的蒸发注射装置及蒸发注射方法，通过CF法兰对各部件接口进行连接，保证管路的密封性，同时分别设置第一螺纹加热单元、第二螺纹加热单元和阀体加热单元对管路进行均匀加热，杜绝管路上出现温度冷点，保证金属蒸汽能够安全、稳定地注入到稀有金属实验装置内，对促进稀有金属的实验研究具有重要意义。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种稀有金属的蒸发注射装置，包括蒸发炉、注射准备管、阀门、注射输出管和喷头，所述蒸发炉用于对稀有金属进行加热蒸发，所述注射准备管的一端与蒸发炉连通，注射准备管的另一端通过阀门与注射输出管的一端连通，所述喷头设置在注射输出管的另一端，所述注射准备管外壁上设置有第一螺纹凹槽，第一螺纹凹槽内设置有第一螺纹加热单元，所述第一螺纹加热单元与第一螺纹凹槽相匹配，所述阀门上设置有阀体加热单元，所述注射输出管的外壁上设置有第二螺纹凹槽，第二螺纹凹槽内设置有第二螺纹加热单元，所述第二螺纹加热单元与第二螺纹凹槽相匹配，注射输出管上套设有安装连接件，蒸发注射装置通过安装连接件与稀有金属实验装置连接。

进一步地，所述蒸发炉包括炉体、蒸发内管和炉管固定连接件，炉体内设置有蒸发室，所述蒸发内管的底部设置在蒸发室内，所述炉管固定连接件设置在蒸发内管的顶部，所述炉管固定连接件与炉体可拆卸连接，且炉管固定连接件对蒸发室进行密封。

进一步地，所述蒸发内管外壁上设置有第三螺纹凹槽，第三螺纹凹槽内设置有第三螺纹加热单元，所述第三螺纹加热单元与第三螺纹凹槽相匹配。

进一步地，所述注射准备管上设置有第一保护管套，所述第一保护管套用于保护、固定第一螺纹加热单元。

进一步地，所述注射输出管上设置有第二保护管套，所述第二保护管套用于保护、固定第二螺纹加热单元。

进一步地，所述蒸发内管上套设有第三保护管套，所述第三保护管套用于保护、固定第三螺纹加热单元。

进一步地，所述注射准备管上设置有第一检测单元，所述第一检测单元用于检测注射准备管通道内温度和/或第一螺纹加热单元的工作温度。

进一步地，所述阀门上设置有第二检测单元，所述第二检测单元用于阀门通道内温度和/或阀体加热单元的工作温度。

进一步地，所述注射输出管上设置有第三检测单元，所述第三检测单元用于检测注射输出管通道内温度和/或第二螺纹加热单元的工作温度。在实际使用过程中，在开始金属蒸汽的注射工作前，先关闭阀门，利用第一螺纹加热单元将注射准备管加热至预定温度，利用第二螺纹加热单元将注射输出管加热至预定温度，利用阀体加热单元将阀门加热至预定温度，避免蒸发注射装置上出现温度冷点，待第一检测单元、第二检测单元、第三检测单元分别检测到注射准备管、阀门、注射输出管的温度加热至预定温度值后，分别固定第一螺纹加热单元、第二螺纹加热单元和阀体加热单元的电流大小，让蒸发注射装置的温度保持恒定，然后就能够打开阀门，在压差的作用下，让蒸发炉的金属蒸汽依次通过注射准备管、阀门、注射输出管和喷头，并由喷头将金属蒸汽均匀喷洒在稀有金属实验装置内，保证金属蒸气有效、均匀地向目标靶扩散，让稀有金属实验安全、有序地进行。

进一步地，所述蒸发内管上设置有第四检测单元，所述第四检测单元用于检测蒸发室内温度和/或第三螺纹加热单元的工作温度。

进一步地，所述喷头的端部均匀设置有多个喷孔。

进一步地，所述喷孔设置在同一圆周上。

进一步地，所述喷孔的中轴线和喷头的中轴线之间的夹角为45°。通过在喷头的端部设置多个位于同一圆周上的喷孔，并让喷孔的中轴线和喷头的中轴线之间的夹角为45°，使得金属蒸汽能够通过喷孔均匀地扩散到目标靶，保证稀有金属实验的稳定进行。

进一步地，所述注射准备管、阀门、注射输出管、喷头的通道内径为10mm。

进一步地，所述安装连接件为CF法兰。

进一步地，所述注射准备管、阀门、注射输出管、喷头和安装连接件均采用316L不锈钢材质。

进一步地，所述注射准备管为弯管。

进一步地，所述蒸发注射装置还包括第一控制模块，所述第三螺纹加热单元、第四检测单元分别与第一控制模块连接。

进一步地，所述蒸发注射装置还包括第二控制模块，所述第一螺纹加热单元、第二螺纹加热单元、阀体加热单元、阀门、第一检测单元、第二检测单元、第三检测单元分别与第二控制模块连接。

进一步地，所述第一控制模块、第二控制模块分别与电源连接。

进一步地，所述第一控制模块、第二控制模块均为调压器。

进一步地，所述蒸发内管、注射准备管、阀门、注射输出管和喷头之间的连接通过CF法兰进行连接。

进一步地，所述注射准备管上设置有第五检测单元，所述第五检测单元用于检测注射准备管内金属蒸汽的饱和度。优选地，所述第五检测单元与第二控制模块连接。

一种稀有金属的蒸发注射方法，其特征在于，基于上述蒸发注射装置，包括以下步骤：

S1.将蒸发注射装置通过安装连接件与稀有金属实验装置连接，在开始金属蒸汽的注射工作前，先对蒸发注射装置和稀有金属实验装置进行抽真空处理；

S2.关闭阀门，将稀有金属储存在蒸发炉内，通蒸发炉对稀有金属进行热蒸发；启动第一螺纹加热单元、第二螺纹加热单元和阀体加热单元工作，将注射准备管、阀门、注射输出管的温度加热至预定温度值；

S3.待蒸发炉和注射准备管内稀有金属蒸汽饱和后，控制阀门打开，让金属蒸汽通过喷头将金属蒸汽均匀喷洒在稀有金属实验装置内。

进一步地，在步骤S1中，对蒸发注射装置和稀有金属实验装置进行抽真空处理至≤10^-10Pa。

进一步地，在步骤S2中，启动第一螺纹加热单元将注射准备管内通道加热至高于蒸发炉温度，且两者的差值控制在5℃以内，第二螺纹加热单元将注射输出管内通道加热至高于阀门温度，且两者的差值控制在5℃以内，阀体加热单元将阀门内通道加热至高于注射准备管温度，且两者的差值控制在5℃以内；然后分别让注射准备管、阀门和注射输出管内通道保持恒温。

进一步地，抽真空后，将蒸发注射装置在真空手套箱内拆装后，将稀有金属储存到蒸发炉内。

进一步地，在步骤S3中，阀门打开后，金属蒸汽受压差影响，通过喷头将金属蒸汽均匀喷洒在稀有金属实验装置内。

本发明的有益效果是：本发明稀有金属的蒸发注射装置及蒸发注射方法，通过CF法兰对各部件接口进行连接，保证管路的密封性，同时分别设置第一螺纹加热单元、第二螺纹加热单元和阀体加热单元对管路进行均匀加热，杜绝管路上出现温度冷点，保证金属蒸汽能够安全、稳定地注入到稀有金属实验装置内，对促进稀有金属的实验研究具有重要意义。

附图说明

图1为本发明蒸发注射装置的结构示意图；

图2为本发明蒸发炉的剖视图；

图3为本发明注射准备管、阀门、注射输出管和喷头的连接剖视图；

图4为本发明喷头的结构示意图；

图5为本发明试验例中测得的温度-铯蒸汽流量的对应图；

图中，1、蒸发炉；2、注射准备管；3、阀门；4、注射输出管；5、喷头；6、第一螺纹加热单元；7、管式加热单元；8、第二螺纹加热单元；9、安装连接件；10、第一检测单元；11、第二检测单元；12、第三检测单元；13、炉体；14、蒸发内管；15、炉管固定连接件；16、第三螺纹加热单元；17、第四检测单元；18、第三保护套；19、第一保护套；20、第二保护套；21、喷孔。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1～4所示，一种稀有金属的蒸发注射装置，包括蒸发炉1、注射准备管2、阀门3、注射输出管4和喷头5，所述蒸发炉1用于对稀有金属进行加热蒸发，所述注射准备管2的一端与蒸发炉1连通，注射准备管2的另一端通过阀门3与注射输出管4的一端连通，所述喷头5设置在注射输出管4的另一端，所述注射准备管2外壁上设置有第一螺纹凹槽，第一螺纹凹槽内设置有第一螺纹加热单元6，所述第一螺纹加热单元6与第一螺纹凹槽相匹配，所述阀门2上设置有阀体加热单元，所述注射输出管4的外壁上设置有第二螺纹凹槽，第二螺纹凹槽内设置有第二螺纹加热单元8，所述第二螺纹加热单元8与第二螺纹凹槽相匹配，注射输出管4上套设有安装连接件9，蒸发注射装置通过安装连接件9与稀有金属实验装置连接。

具体地，所述蒸发炉1包括炉体13、蒸发内管14和炉管固定连接件15，炉体13内设置有蒸发室，所述蒸发内管14的底部设置在蒸发室内，所述炉管固定连接件15设置在蒸发内管14的顶部，所述炉管固定连接件15与炉体1可拆卸连接，且炉管固定连接件15对蒸发室进行密封。

具体地，所述蒸发内管14外壁上设置有第三螺纹凹槽，第三螺纹凹槽内设置有第三螺纹加热单元16，所述第三螺纹加热单元16与第三螺纹凹槽相匹配。

具体地，所述注射准备管2上设置有第一保护管套19，所述第一保护管套19用于保护、固定第一螺纹加热单元6。

具体地，所述注射输出管4上设置有第二保护管套20，所述第二保护管套20用于保护、固定第二螺纹加热单元8。

具体地，所述蒸发内管14上套设有第三保护管套18，所述第三保护管套18用于保护、固定第三螺纹加热单元16。

具体地，所述注射准备管2上设置有第一检测单元10，所述第一检测单元10用于检测注射准备管2通道内温度和/或第一螺纹加热单元6的工作温度。

具体地，所述阀门3上设置有第二检测单元11，所述第二检测单元11用于阀门2通道内温度和/或阀体加热单元的工作温度。

具体地，所述注射输出管4上设置有第三检测单元12，所述第三检测单元12用于检测注射输出管4通道内温度和/或第二螺纹加热单元8的工作温度。在实际使用过程中，在开始金属蒸汽的注射工作前，先关闭阀门2，利用第一螺纹加热单元6将注射准备管2加热至预定温度，利用第二螺纹加热单元8将注射输出管4加热至预定温度，利用阀体加热单元将阀门2加热至预定温度，避免蒸发注射装置上出现温度冷点，待第一检测单元10、第二检测单元11、第三检测单元12分别检测到注射准备管2、阀门3、注射输出管4的温度加热至预定温度值后，分别固定第一螺纹加热单元6、第二螺纹加热单元8和阀体加热单元的电流大小，让蒸发注射装置的温度保持恒定，然后就能够打开阀门2，在压差的作用下，让蒸发炉1的金属蒸汽依次通过注射准备管2、阀门3、注射输出管4和喷头5，并由喷头5将金属蒸汽均匀喷洒在稀有金属实验装置内，保证金属蒸气有效、均匀地向目标靶扩散，让稀有金属实验安全、有序地进行。

具体地，所述蒸发内管14上设置有第四检测单元17，所述用于检测蒸发室内温度和/或第三螺纹加热单元的工作温度。

具体地，所述喷头5的端部均匀设置有多个喷孔21。

具体地，所述喷孔21设置在同一圆周上。

具体地，所述喷孔21的中轴线和喷头5的中轴线之间的夹角为45°。通过在喷头5的端部设置多个位于同一圆周上的喷孔21，并让喷孔21的中轴线和喷头5的中轴线之间的夹角为45°，使得金属蒸汽能够通过喷孔21均匀地扩散到目标靶，保证稀有金属实验的稳定进行。

具体地，所述注射准备管2、阀门3、注射输出管4、喷头5的通道内径为10mm。优选地，所述蒸发注射装置的管路整体长度为530mm，蒸发炉1的尺寸为φ18×60.5mm。

具体地，所述安装连接件9为CF法兰。

具体地，所述注射准备管2、阀门3、注射输出管4、喷头5和安装连接件9均采用316L不锈钢材质。

具体地，所述注射准备管2为弯管。

具体地，所述蒸发注射装置还包括第一控制模块，所述第三螺纹加热单元16、第四检测单元17分别与第一控制模块连接。

具体地，所述蒸发注射装置还包括第二控制模块，所述第一螺纹加热单元6、第二螺纹加热单元8、阀体加热单元、阀门3、第一检测单元10、第二检测单元11、第三检测单元12分别与第二控制模块连接。

具体地，所述第一控制模块、第二控制模块分别与电源连接。

具体地，所述第一控制模块、第二控制模块均为调压器。

具体地，所述蒸发内管14、注射准备管2、阀门3、注射输出管4和喷头5之间的连接通过CF法兰进行连接。

具体地，所述注射准备管2上设置有第五检测单元，所述第五检测单元用于检测注射准备管2内金属蒸汽的饱和度。优选地，所述第五检测单元与第二控制模块连接。

一种稀有金属的蒸发注射方法，其特征在于，基于上述蒸发注射装置，包括以下步骤：

S1.将蒸发注射装置通过安装连接件9与稀有金属实验装置连接，在开始金属蒸汽的注射工作前，先对蒸发注射装置和稀有金属实验装置进行抽真空处理；

S2.关闭阀门，将稀有金属储存在蒸发炉内，通蒸发炉1对稀有金属进行热蒸发；启动第一螺纹加热单元6、第二螺纹加热单元8和阀体加热单元工作，将注射准备管2、阀门3、注射输出管4的温度加热至预定温度值；

S3.待蒸发炉1和注射准备管2内稀有金属蒸汽饱和后，控制阀门3打开，让金属蒸汽通过喷头5将金属蒸汽均匀喷洒在稀有金属实验装置内。

具体地，在步骤S1中，对蒸发注射装置和稀有金属实验装置进行抽真空处理至≤10^-10Pa。

具体地，在步骤S2中，启动第一螺纹加热单元将注射准备管内通道加热至高于蒸发炉温度，且两者的差值控制在5℃以内，第二螺纹加热单元将注射输出管内通道加热至高于阀门温度，且两者的差值控制在5℃以内，阀体加热单元将阀门内通道加热至高于注射准备管温度，且两者的差值控制在5℃以内；然后分别让注射准备管、阀门和注射输出管内通道保持恒温。

具体地，抽真空后，将蒸发注射装置在真空手套箱内拆装后，将稀有金属储存到蒸发炉内。

具体地，在步骤S3中，阀门打开后，金属蒸汽受压差影响，通过喷头5将金属蒸汽均匀喷洒在稀有金属实验装置内。

具体地，所述稀有金属为低熔点稀有金属，具体包括钾、铷、铯、汞。

试验例

以稀有金属铯进行蒸发注射试验，组装好蒸发注射装置和稀有金属实验装置，抽真空，将铯储存到蒸发炉内，启动蒸发注射装置加热工作，然后准备启动蒸发注射工作，在具体控制过程中，铯的蒸气压由下式给出。

log₁₀(P/133)＝-4075/T-1.45log₁₀T+11.38 (1)

其中，P为蒸汽压强，T为蒸发炉温度；

由压强和温度可通过式(2)计算铯蒸气的蒸气浓度，

其中，n为蒸气浓度，k_b为玻尔兹曼常量；

从炉中出来的总铯蒸气流量由下式给出：

Flux_Cs＝n·v·A·M (3)

其中，A是喷头上所有喷孔面积之和，M为铯的摩尔质量，v是平均粒子速度，由

式(3)计算得到的铯蒸汽流量如表1所示，

表1不同温度下铯蒸汽流量

试验过程中测得的温度和流量对应的结果如图5所示，温度控制过程是从140℃～280℃，每间隔10℃测试一次。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种稀有金属的蒸发注射装置，其特征在于，包括蒸发炉、注射准备管、阀门、注射输出管和喷头，所述蒸发炉用于对稀有金属进行加热蒸发，所述注射准备管的一端与蒸发炉连通，注射准备管的另一端通过阀门与注射输出管的一端连通，所述喷头设置在注射输出管的另一端，所述注射准备管外壁上设置有第一螺纹凹槽，第一螺纹凹槽内设置有第一螺纹加热单元，所述第一螺纹加热单元与第一螺纹凹槽相匹配，所述阀门上设置有阀体加热单元，所述注射输出管的外壁上设置有第二螺纹凹槽，第二螺纹凹槽内设置有第二螺纹加热单元，所述第二螺纹加热单元与第二螺纹凹槽相匹配，注射输出管上套设有安装连接件，蒸发注射装置通过安装连接件与稀有金属实验装置连接；

所述蒸发炉包括炉体、蒸发内管和炉管固定连接件，炉体内设置有蒸发室，所述蒸发内管的底部设置在蒸发室内，所述炉管固定连接件设置在蒸发内管的顶部，所述炉管固定连接件与炉体可拆卸连接，且炉管固定连接件对蒸发室进行密封。

2.根据权利要求1所述的一种稀有金属的蒸发注射装置，其特征在于，所述蒸发内管外壁上设置有第三螺纹凹槽，第三螺纹凹槽内设置有第三螺纹加热单元，所述第三螺纹加热单元与第三螺纹凹槽相匹配。

3.根据权利要求2所述的一种稀有金属的蒸发注射装置，其特征在于，所述蒸发内管上套设有第三保护管套，所述第三保护管套用于保护、固定第三螺纹加热单元。

4.根据权利要求1所述的一种稀有金属的蒸发注射装置，其特征在于，所述注射准备管上设置有第一检测单元，所述第一检测单元用于检测注射准备管通道内温度和/或第一螺纹加热单元的工作温度。

5.根据权利要求1所述的一种稀有金属的蒸发注射装置，其特征在于，所述阀门上设置有第二检测单元，所述第二检测单元用于阀门通道内温度和/或阀体加热单元的工作温度。

6.根据权利要求1所述的一种稀有金属的蒸发注射装置，其特征在于，所述注射输出管上设置有第三检测单元，所述第三检测单元用于检测注射输出管通道内温度和/或第二螺纹加热单元的工作温度。

7.根据权利要求2所述的一种稀有金属的蒸发注射装置，其特征在于，所述蒸发内管上设置有第四检测单元，所述第四检测单元用于检测蒸发室内温度和/或第三螺纹加热单元的工作温度。

8.根据权利要求1所述的一种稀有金属的蒸发注射装置，其特征在于，所述喷头的端部均匀设置有多个喷孔。

9.一种稀有金属的蒸发注射方法，其特征在于，基于权利要求1～8任意一项所述蒸发注射装置，包括以下步骤：

S1.将蒸发注射装置通过安装连接件与稀有金属实验装置连接，在开始金属蒸汽的注射工作前，先对蒸发注射装置和稀有金属实验装置进行抽真空处理；

S2.关闭阀门，将稀有金属储存在蒸发炉内，通蒸发炉对稀有金属进行热蒸发；启动第一螺纹加热单元、第二螺纹加热单元和阀体加热单元工作，将注射准备管、阀门、注射输出管的温度加热至预定温度值；

S3.待蒸发炉和注射准备管内稀有金属蒸汽饱和后，控制阀门打开，让金属蒸汽通过喷头将金属蒸汽均匀喷洒在稀有金属实验装置内。

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