CN115188516A - 一种基于离子注入机的块体试样辐照装置及控温方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于离子注入机的块体试样辐照装置，包括光圈隔板、样品台和温度控制系统，光圈隔板与离子束流垂直设置，且所述光圈隔板的中心处设置有贯穿的透光光圈；样品台具有与所述离子束流垂直的辐照面，块体试样通过固定组件固定在所述辐照面上；温度控制系统调节所述样品台的辐照面的温度；本发明通过在离子束流垂直射出的方向设置一个光圈隔板，并在光圈隔板中心设置透光光圈，通过透光光圈使得分散的离子束流均与的入射至样品台上，对位于辐照面上的块体试样进行辐照；同时，通过温度控制系统对样品台的温度进行调整，实现对辐照的块体试样进行精准的温度控制。
Description
技术领域
本发明涉及核燃料循环及辐照效应研究技术领域，具体涉及一种基于离子注入机的块体试样辐照装置及控温方法。
背景技术
反应堆结构与功能材料的开发制约着核能的大规模发展，而辐照效应是评价核材料性能的重要指标，因此核材料的辐照效应成为了众多科研单位主流的研究方向。
目前，利用粒子加速器的重离子辐照来模拟反应堆的中子辐照可极大的节约辐照时间和成本，正逐渐成为研究核材料抗辐照性能的主要手段。
辐照过程中维持样品表面的温度恒定对研究核材料的辐照性至关重要，由于离子注入机离子注量小、能量低，辐照过程中温度起伏变化较小，在离子注入机中对核材料进行抗辐照性能评价时，辐照温度和辐照均匀性严重影响着核材料的抗辐照性能，成为设计、开发基于离子注入机辐照装置的一大技术难点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何在对核材料进行辐照性能评价时，保证辐照温度和辐照均匀度，目的在于提供一种基于离子注入机的块体试样辐照装置及控温方法，解决了辐照温度和辐照均匀性严重影响着核材料的抗辐照性能的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于离子注入机的块体试样辐照装置，包括：
光圈隔板，其与离子束流垂直设置，且所述光圈隔板的中心处设置有贯穿的透光光圈；
样品台，其具有与所述离子束流垂直的辐照面，块体试样通过固定组件固定在所述辐照面上；
温度控制系统，其设置在所述样品台内，且调节所述样品台的辐照面的温度。
可选地，所述固定组件包括：
设置在所述样品台的辐射面上的螺纹孔；
与所述螺纹孔螺纹连接的螺钉；及
样品垫片，其设置有与所述螺钉适配的通孔，所述块体试样设置在所述样品垫片与所述辐照面之间，所述螺钉穿过所述通孔与所述螺纹孔螺纹连接，且对所述样品垫片施加朝向所述辐照面的作用力，所述样品垫片对所述块体试样施加朝向辐照面的夹持力。
具体地，所述螺纹孔、所述螺钉和所述样品垫片的数量为多个；
且所述块体试样通过n个所述固定组件固定，n为不小于1的自然数。
可选地，所述样品台为高导热材质，且所述样品台内部设置有温控腔，所述温度控制系统设置在所述温控腔内；
所述温度控制系统包括：
测温组件，其用于检测所述样品台的温度；
升温组件和降温组件，其与所述温控腔的连接，且与所述样品台发生热传导；
控温系统，其与所述测温组件电连接，且控制所述升温组件和降温组件，所述控温系统设置在所述样品台的外部。
可选地，所述测温组件包括：
设置在所述温控腔中部的温度传感器；及
与所述温度传感器和所述控温系统电连接的温度数据传输线；
所述升温组件包括：
设置在所述温控腔内的加热电阻丝，所述加热电阻丝的电流输入端和电流输出端穿过所述样品台与所述控温系统电连接；
所述降温组件包括：
设置在所述温控腔内的冷却气管，所述冷却气管的冷气输入端和冷气输出端穿过所述样品台与所述控温系统连通；
设置在所述温控腔内的冷却水管，所述冷却水管的冷水输入端和冷水输出端穿过所述样品台与所述控温系统连通。
可选地，所述加热电阻丝、所述冷却气管和所述冷却水管均呈环形分布，且所述加热电阻丝设置在所述冷却气管和所述冷却水管之间；
所述冷却气管构成的环形结构的半径小于所述冷却水管构成的环形结构的半径。
进一步，所述辐照装置还包括密度测量装置，其设置在所述样品台的另一侧，且所述密度测量装置和所述光圈隔板以所述样品台为对称面对称设置；
所述样品台上设置有多个贯穿的束流孔洞，所述束流孔洞的中轴线与所述所述离子束流平行。
可选地，所述束流孔洞的数量与所述螺纹孔的数量相等，且所述束流孔洞与所述螺纹孔一一对应设置。
可选地，所述密度测量装置包括：
固定基板，其中心设置有直径不小于所述透光光圈的直径的透光孔；
密度探测器，其固定设置在所述固定基板上，且探测穿过所述透光孔的离子束流的密度。
一种基于离子注入机的块体试样辐照装置的温控方法，基于上述的一种基于离子注入机的块体试样辐照装置，所述方法包括：
当辐照温度值高于预设值X℃时，降低加热电阻丝加热功率，增加冷却水流量和冷却气流量；
当辐照温度值高于预设值Y℃时，仅增加冷却水流量和冷却气流量；
当辐照温度值高于预设值Z℃时，仅增加冷却气流量；
当辐照温度值低于预设值X℃时，增加加热电阻丝加热功率，减少冷却水流量和冷却气流量；
当辐照温度值低于预设值Y℃时，仅降低冷却水流量和冷却气流量；
当辐照温度值低于预设值Z℃时，仅降低冷却气流量；
当辐照温度值与预设温度值的温度差异在Z℃之内时，保持加热电阻丝加热功率、冷却水流量和冷却气流量；
其中，X＞Y＞Z。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明通过在离子束流垂直射出的方向设置一个光圈隔板，并在光圈隔板中心设置透光光圈，通过透光光圈使得分散的离子束流均与的入射至样品台上，对位于辐照面上的块体试样进行辐照；同时，通过温度控制系统对样品台的温度进行调整，实现对辐照的块体试样进行精准的温度控制。
附图说明
附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
图1是根据本发明所述的一种基于离子注入机的块体试样辐照装置的结构示意图。
图2是根据本发明所述的光圈隔板的结构示意图。
图3是根据本发明所述的样品台的结构示意图。
图4是根据本发明所述的温度控制系统结构示意图。
图5是根据本发明所述的密度测量装置的结构示意图。
图6是根据本发明所述的拱形的垫片的结构示意图。
附图标记：1-离子束流；2-光圈隔板；3-样品台；4-密度测量装置；5-透光光圈；7-束流孔洞；8-样品垫片；9-螺钉；10-温度数据传输线；11-冷水输入端；12-电流输入端；13-冷气输入端；14-冷气输出端；15-电流输出端；16-冷水输出端；17-温度传感器；18-导线，19-冷却水管；20-加热电阻丝；21-冷却气管；22-固定基板；23-透光孔；24-密度探测器；26-拱形的垫片。
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明白，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。
另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
如图1和图2所示，一种基于离子注入机的块体试样辐照装置，包括光圈隔板2、样品台3和温度控制系统。
离子注入机发射出离子束流1，将光圈隔板2与离子束流1垂直设置，且光圈隔板2的中心处设置有贯穿的透光光圈5，离子束流1通过光圈隔板2时，光圈隔板2透光光圈5可过滤掉不同散射方向的离子束流1，使离子束流1均匀的入射到样品台3；
设定样品台3具有与离子束流1垂直的辐照面，块体试样通过固定组件固定在辐照面上，即实现了离子束流1均匀的辐照在块体试样上。
温度控制系统设置在样品台3内，且调节样品台3的辐照面的温度。根据辐照试样的温度需求，通过温度控制系统可以对样品台3的温度进行调整，经过热传导现象，实现了对与样品台3固定连接的块体试验的温度。
下面对固定组件的可选结构进行说明，固定组件包括螺钉9和。
为了实现与螺钉9的连接，在样品台3的辐射面上的设置有螺纹孔，螺钉9与螺纹孔螺纹连接的螺钉9。需要设定螺纹孔的深度大于螺钉9的长度，因此可以通过改变螺钉9旋入螺纹孔的距离，实现对块体试样的固定。
在实际使用辐照试验中，因为辐照样品尺寸多样，因此存在如何对多个、不同尺寸的辐照样品同时做到稳定夹持并同时辐照，提高辐照装置的利用率的问题。
如图3所示，在本实施例中，设置有样品垫片8，在样品垫片8上设置有与螺钉9适配的通孔，螺钉9穿过通孔与螺纹孔螺纹连接。
块体试样设置在样品垫片8与辐照面之间，螺钉9对样品垫片8施加朝向辐照面的作用力，样品垫片8对块体试样施加朝向辐照面的夹持力。
即通过样品垫片8和辐照面实现对块体试样的夹持，因此可以根据块体试样的具体结构对样品垫片8的结构进行设定。
例如：若样品尺寸较小，可选用圆环结构的样品垫片8。
若样品尺寸较大，可选用两个或三个螺钉9与样品垫片8同时夹持。
若样品尺寸厚度不均，可选用拱形的垫片26见图6，拱形垫片突出部分可适当弯折以适应块体样品厚度大小，使得样品垫片8
为了实现在离子注入机中对多个、不同尺寸的辐照样品同时进行稳固夹持的功能。
螺纹孔、螺钉9和样品垫片8的数量为多个；且块体试样通过n个固定组件固定，n为不小于1的自然数。
为了通过温度控制系统可以实现对块体试样的温度调节，样品台3为高导热材质，且样品台3内部设置有温控腔，温度控制系统设置在温控腔内，通过温度控制系统与样品台3的热传导实现对块体试样的温度控制。
如图4所示，温度控制系统包括测温组件、升温组件、降温组件和控温系统。
测温组件用于检测样品台3的温度；升温组件和降温组件与温控腔的连接，且与样品台3发生热传导。
控温系统与测温组件电连接，且控制升温组件和降温组件，控温系统设置在样品台3的外部。
下面对上述温度控制系统的各个组件进行举例说明，
测温组件包括温度传感器17和温度数据传输线10。
设置在温控腔中部的温度传感器17对样品台3的温度进行检测，并通过导线18将温度传感器17和控温系统电连接，且通过导线18将温度传感器17与温度数据传输线10将温控数据传输至控温系统。
升温组件包括加热电阻丝20。
设置在温控腔内的加热电阻丝20对样品台3的温度进行升温，加热电阻丝20的电流输入端12和电流输出端15穿过样品台3与控温系统电连接，通过控温系统可以改变加热电阻丝20的加热功率，从而可以实现升温操作。
降温组件包括冷却气管21和冷却水管19。
设置在温控腔内的冷却气管21对样品台3的温度进行，因为空气的比热容较小，使得冷却气管21对样品台3的降温幅度较小，设置在温控腔内的冷却水管19对样品台3的温度进行，因为水的比热容较大，使得冷却水管19对样品台3的降温幅度较大。
冷却气管21的冷气输入端13和冷气输出端14穿过样品台3与控温系统连通；冷却水管19的冷水输入端11和冷水输出端16穿过样品台3与控温系统连通。通过控温系统可以改变冷却气管21和冷却水管19的流量，从而可以实现降温操作。
为了实现更好的降温、升温操作，将加热电阻丝20、冷却气管21和冷却水管19设置成为如图4所示的呈环形分布，且加热电阻丝20设置在冷却气管21和冷却水管19之间，冷却气管21构成的环形结构的半径小于冷却水管19构成的环形结构的半径。
通过上述温度控制结构，本实施例提供基于上述结构的一种基于离子注入机的块体试样辐照装置的温控方法，包括：
当辐照温度值高于预设值X℃时，降低加热电阻丝20加热功率，增加冷却水流量和冷却气流量；
当辐照温度值高于预设值Y℃时，仅增加冷却水流量和冷却气流量；
当辐照温度值高于预设值Z℃时，仅增加冷却气流量；
当辐照温度值低于预设值X℃时，增加加热电阻丝20加热功率，减少冷却水流量和冷却气流量；
当辐照温度值低于预设值Y℃时，仅降低冷却水流量和冷却气流量；
当辐照温度值低于预设值Z℃时，仅降低冷却气流量；
当辐照温度值与预设温度值的温度差异在Z℃之内时，保持加热电阻丝20加热功率、冷却水流量和冷却气流量；
其中，X＞Y＞Z。
且提供一个具体的操作例。
当辐照温度值高于预设值50℃时，降低加热电阻丝20加热功率，增加冷却水流量和冷却气流量；
当辐照温度值高于预设值10-50℃时，仅增加冷却水流量和冷却气流量；
当辐照温度值高于预设值5-10℃时，仅增加冷却气流量；
当辐照温度值低于预设值50℃时，增加加热电阻丝20加热功率，减少冷却水流量和冷却气流量；
当辐照温度值低于预设值10-50℃时，仅降低冷却水流量和冷却气流量；
当辐照温度值低于预设值5-10℃时，仅降低冷却气流量；
当辐照温度值与预设温度值的温度差异在5℃之内时，保持加热电阻丝20加热功率、冷却水流量和冷却气流量。
预设值可以根据具体需求设定，例如80℃、100℃、500℃等。
为了检测入射的离子束流1的均匀性，本实施例中的辐照装置还包括密度测量装置4，如图1、图2、图5所示，密度测量装置4设置在样品台3的另一侧，且密度测量装置4和光圈隔板2以样品台3为对称面对称设置。
样品台3上设置有多个贯穿的束流孔洞7，束流孔洞7的中轴线与离子束流1平行，穿过透光光圈5的离子束流1，部分辐照在块体试样上，部分穿过束流孔洞7，入射至密度测量装置4。
为了实现对每个块体试样的辐照检测，设定束流孔洞7的数量与螺纹孔的数量相等，且束流孔洞7与螺纹孔一一对应设置，且为了实现更好的密度检测，将束流孔洞7均匀的设置在样品台3上。
下面对密度测量装置4的结构进行举例说明。
密度测量装置4包括固定基板22和密度探测器24。
固定基板22中心设置有直径不小于透光光圈5的直径的透光孔23，穿过多个束流孔洞7的离子束流1均经过透光孔23。
密度探测器24固定设置在固定基板22上，且探测穿过透光孔23的离子束流1的密度。
样品台3上均匀分布了多个束流孔洞7，离子束流1可通过束流孔洞7入射到离子束流1的密度测量装置4。离子束流1可在固定基板22中间的透光孔23中形成光柱，通过离子束流1的密度探测器24接收到离子束流1密度信号，最后通过离子束流1的密度数据输出端与外接的计算机程控系统相连计算并分析出离子束流1密度。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述发明的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种基于离子注入机的块体试样辐照装置，其特征在于，包括：
光圈隔板(2)，其与离子束流(1)垂直设置，且所述光圈隔板(2)的中心处设置有贯穿的透光光圈(5)；
样品台(3)，其具有与所述离子束流(1)垂直的辐照面，块体试样通过固定组件固定在所述辐照面上；
温度控制系统，其设置在所述样品台(3)内，且调节所述样品台(3)的辐照面的温度。
2.根据权利要求1所述的一种基于离子注入机的块体试样辐照装置，其特征在于，所述固定组件包括：
设置在所述样品台(3)的辐射面上的螺纹孔；
与所述螺纹孔螺纹连接的螺钉(9)；及
样品垫片(8)，其设置有与所述螺钉(9)适配的通孔，所述块体试样设置在所述样品垫片(8)与所述辐照面之间，所述螺钉(9)穿过所述通孔与所述螺纹孔螺纹连接，且对所述样品垫片(8)施加朝向所述辐照面的作用力，所述样品垫片(8)对所述块体试样施加朝向辐照面的夹持力。
3.根据权利要求2所述的一种基于离子注入机的块体试样辐照装置，其特征在于，所述螺纹孔、所述螺钉(9)和所述样品垫片(8)的数量为多个；
且所述块体试样通过n个所述固定组件固定，n为不小于1的自然数。
4.根据权利要求1所述的一种基于离子注入机的块体试样辐照装置，其特征在于，所述样品台(3)为高导热材质，且所述样品台(3)内部设置有温控腔，所述温度控制系统设置在所述温控腔内；
所述温度控制系统包括：
测温组件，其用于检测所述样品台(3)的温度；
升温组件和降温组件，其与所述温控腔的连接，且与所述样品台(3)发生热传导；
控温系统，其与所述测温组件电连接，且控制所述升温组件和降温组件，所述控温系统设置在所述样品台(3)的外部。
5.根据权利要求4所述的一种基于离子注入机的块体试样辐照装置，其特征在于，所述测温组件包括：
设置在所述温控腔中部的温度传感器(17)；及
与所述温度传感器(17)和所述控温系统电连接的温度数据传输线(10)；
所述升温组件包括：
设置在所述温控腔内的加热电阻丝(20)，所述加热电阻丝(20)的电流输入端(12)和电流输出端(15)穿过所述样品台(3)与所述控温系统电连接；
所述降温组件包括：
设置在所述温控腔内的冷却气管(21)，所述冷却气管(21)的冷气输入端(13)和冷气输出端(14)穿过所述样品台(3)与所述控温系统连通；
设置在所述温控腔内的冷却水管(19)，所述冷却水管(19)的冷水输入端(11)和冷水输出端(16)穿过所述样品台(3)与所述控温系统连通。
6.根据权利要求5所述的一种基于离子注入机的块体试样辐照装置，其特征在于，所述加热电阻丝(20)、所述冷却气管(21)和所述冷却水管(19)均呈环形分布，且所述加热电阻丝(20)设置在所述冷却气管(21)和所述冷却水管(19)之间；
所述冷却气管(21)构成的环形结构的半径小于所述冷却水管(19)构成的环形结构的半径。
7.根据权利要求1所述的一种基于离子注入机的块体试样辐照装置，其特征在于，还包括密度测量装置(4)，其设置在所述样品台(3)的另一侧，且所述密度测量装置(4)和所述光圈隔板(2)以所述样品台(3)为对称面对称设置；
所述样品台(3)上设置有多个贯穿的束流孔洞(7)，所述束流孔洞(7)的中轴线与所述所述离子束流(1)平行。
8.根据权利要求7所述的一种基于离子注入机的块体试样辐照装置，其特征在于，所述束流孔洞(7)的数量与所述螺纹孔的数量相等，且所述束流孔洞(7)与所述螺纹孔一一对应设置。
9.根据权利要求8所述的一种基于离子注入机的块体试样辐照装置，其特征在于，所述密度测量装置(4)包括：
固定基板(22)，其中心设置有直径不小于所述透光光圈(5)的直径的透光孔(23)；
密度探测器(24)，其固定设置在所述固定基板(22)上，且探测穿过所述透光孔(23)的离子束流(1)的密度。
10.一种基于离子注入机的块体试样辐照装置的温控方法，其特征在于，基于如权利要求5-6中任一项所述的一种基于离子注入机的块体试样辐照装置，所述方法包括：
当辐照温度值高于预设值X℃时，降低加热电阻丝(20)加热功率，增加冷却水流量和冷却气流量；
当辐照温度值高于预设值Y℃时，仅增加冷却水流量和冷却气流量；
当辐照温度值高于预设值Z℃时，仅增加冷却气流量；
当辐照温度值低于预设值X℃时，增加加热电阻丝(20)加热功率，减少冷却水流量和冷却气流量；
当辐照温度值低于预设值Y℃时，仅降低冷却水流量和冷却气流量；
当辐照温度值低于预设值Z℃时，仅降低冷却气流量；
当辐照温度值与预设温度值的温度差异在Z℃之内时，保持加热电阻丝(20)加热功率、冷却水流量和冷却气流量；
其中，X＞Y＞Z。
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