CN115193503B - 一种有效缓解射频离子源内样品热量集中的冷却实验台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有效缓解射频离子源内样品热量集中的冷却实验台，包括由上到下依次设置的样品放置台、同轴进液室、交换室、升降式底座，以及设置于样品放置台上方的绝缘上盖和设置于同轴进液室外部的侧壁绝缘罩，交换室设有测温单元、快接式进液管和快接式出液管，样品放置台的上方设有样品固定法兰和绝缘上盖；侧壁绝缘罩外部设有束流栅极板。本发明所述的冷却实验台所有管路均采用快接形式，保证了安装及维护的便捷性；采用法兰结构使样品与背冷板充分接触，保证了较高的冷却效率；在选材和结构设计方面，本发明也充分考虑并选择了耐高热且成本低廉的“钼、铜、氮化硼”等结构材料；本装置除适用于等离子体辐照系统外，也适用于粒子加速系统和中性束加热系统，适用范围广泛。
Description
技术领域
本发明隶属于核聚变辐照损伤领域，具体涉及开发一种能够真实模拟面向等离子体靶材在反应堆边界所处的真实温度环境，扩展离子辐照模拟装备的温度测试窗口。
背景技术
长久以来，工业社会发展所需的能源消耗始终是依靠煤炭、石油和天然气等传统化石能源。虽然现代工业相继采用了诸如风能、太阳能或氢能等新型可再生能源，但这仅能使相当局限的部分地区的生产需求得到满足。工业发展所带来的资源消耗和环境污染问题，迫使全世界都将目光投放到发展核能技术，并且认定其是解决能源危机的终极途径。我国提出的核能发展战略规划是：近期建造热中子堆，中期建造快中子堆，远期建造核聚变堆。为加速推动聚变能商业化应用进程，国际上已积极开展“国际热核聚变实验堆计划(ITER)”，按照现有聚变研究计划，预计在未来50年后可实现聚变能商用。
在聚变装置中，边界等离子体将与面向等离子体材料发生强烈相互作用，反应堆严苛的运行环境会导致材料承受着高通量离子流、高能中子以及高热负荷的共同作用。这些稳态/瞬态的热流、粒子流以及D/T/He在材料中的滞留，将会极大的缩短反应堆寿命，严重时还会带来安全问题。为了有效评估核材料辐照损伤性能，科学家们通过建立仿真装置模拟反应堆极端的边界环境，来评价核材料的抗辐照性能。这当中主要以线性等离子体装置，如Magnum-PSI装置、PICSES-A/B装置以及NAGDIS-II装置为主要代表。射频源具有等离子体密度高、离子束流强、束流均匀等特点，已成为聚变研究中等离子体加热和空间防御系统中粒子束武器的核心技术。在ITER运行条件下，偏滤器靶板附近的He+/H+流强将达到1022-1024/m2·s。为提高模拟装置中的离子束流强度，美国橡树岭国家实验室的MPEX项目，便采用射频(RF)与高通量磁场相结合的形式来提高离子束流强度。我们也充分借鉴国内外先进离子束发生装置的优秀成功经验，研发并提出了采用感应耦合等离子体(ICP)技术来产生高密度等离子体，现已顺利完成托克马克装置中面向等离子体材料辐照损伤模拟平台的设计、搭建及运行工作(专利号：ZL2014110378270.6)。该装置成功克服了传统离子束发生装置中等离子体密度低，空间均匀性差等问题。
在大功率射频辐照系统中，ICP源内的载能气体组分会与样品表面发生频繁碰撞，使得样品温度升高。一般情况下，射频辐照系统温度要高于阴极弧或者级联弧系统，这种条件对于某些特定应用场景下是适宜的(如模拟偏滤器部分打击区域)。在聚变堆中，面向等离子体材料所处的温度范围一般被认为是在“1000～2000K”之间。在实际反应堆中，由于芯部位形和背冷等原因，某些区域的温度可能会更低或者更高。作为一个先进的堆边界辐照模拟系统，要求需要保证高离子通量的同时，更要有宽泛的温度测试窗口。为满足上述要求，射频源辐照系统中迫切需要添加高效的冷却装置来实现边界低温区域的辐照损伤模拟工作。而离子源内的环境十分复杂，冷却装置置于内部需要综合考虑电磁、绝缘、杂质、溅射、融化、蒸发等各种各样复杂问题。本发明所提出的高效冷却实验台，是针对射频离子源特殊环境所开展的原创性设计，通过实验测试证明了该装置可在射频离子源内长期稳定运行。综合来看，该装置具有降温效率高、维护便捷、成本低廉等诸多优点。迄今为止，该冷却实验台的相关设计尚未见报道。
发明内容
本发明主要是针对射频离子源的空间特性及传热特性，开发了一种能够有效缓解射频源内样品热量集中的冷却实验台。该装置通过与大功率ICP离子源相配合，实现对宽泛的边界温度环境模拟。
为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：
一种有效缓解射频离子源内样品热量集中的冷却实验台，所述冷却实验台主要包括由上到下依次设置的样品放置台、同轴进液室、交换室、升降式底座，以及设置于样品放置台上方的绝缘上盖和设置于同轴进液室外部的侧壁绝缘罩；
所述样品放置台与同轴进液室直接接触，同轴进液室的进液管和出液管的有效截面积相当；所述同轴进液室下端连接交换室，所述同轴进液室与交换室连通，交换室用于进液管路和出液管路的分流；所述同轴进液室内设有同轴进液管，所述交换室设有测温单元、快接式进液管和快接式出液管，所述快接式进液管与同轴进液管连接，冷却液通过快接式进液管和快接式出液管进行输送，测温单元穿过交换室侧壁进行冷却液温度监测；
所述交换室下端连接升降式底座，可以进行样品高度调整；
所述样品放置台的顶部开设有样品放置孔，将样品放置于样品放置台的放置孔内；所述样品放置台的上方设有样品固定法兰，所述样品固定法兰的上方设有绝缘上盖，绝缘上盖位于整个装置的最顶端，所述绝缘上盖依靠重力与样品固定法兰贴合；
所述侧壁绝缘罩外部设有束流栅极板，置于样品放置台下方；
所述升降式底座设有负偏压接线柱，所述升降式底座的下方设有固定底座，所述升降式底座与固定底座之间通过底座固定螺丝连接，底座固定螺丝用于将冷却实验台限位；所述升降式底座与底座固定螺丝之间设有绝缘垫，绝缘垫用于实现冷却实验台与固定式底座之间的电绝缘。
进一步的，所述升降式底座设有可伸缩螺杆，样品在射频源内的高度是通过调整升降式底座上的可伸缩螺杆长短来实现。
进一步的，所述交换室与升降式底座固定连接，交换室主要用于冷却液进/出管路分流。
进一步的，所述交换室与升降式底座上盖焊接，同轴进液室一端焊接在交换室上盖，另一端与样品放置台连接。
进一步的，所述侧壁绝缘罩包括上侧壁绝缘罩和下侧壁绝缘罩，所述上侧壁绝缘罩位于下侧壁绝缘罩的上方，同轴进液室的侧壁采用上下侧壁绝缘罩共同包裹；所述上侧壁绝缘罩和下侧壁绝缘罩均采用对半拼接使用，并通过绝缘固定环将对半拼接的上侧壁绝缘罩和下侧壁绝缘罩分别固定；所述束流栅极板沿径向方向被一分为二，对半拼接于上侧壁绝缘罩的外壁。
进一步的，所述束流栅极板置于上侧壁绝缘罩的中部位置，优选为中心位置。
进一步的，所述侧壁绝缘罩底部设置有凸台结构。
进一步的，所述样品固定法兰与样品放置台之间通过螺丝锁紧，确保样品表面与样品放置台冷却面充分接触。将样品放置于样品放置台的放置孔内通过法兰固定螺丝将样品固定法兰与样品放置台固定。
进一步的，所述快接式进液管通过进液快接卡箍与同轴进液管连接，所述交换室的出液口通过出液快接卡箍与快接式出液管连接。进液快接卡箍和出液快接卡箍用于将快接式进液管和快接式出液管与冷却实验台连接。
进一步的，所述快接式进液管与快接式出液管均采用不锈钢波纹管，快接式进液管内径选择10～20mm，快接式出液管内径选择20～30mm，该参数设计主要是确保进液管路和出液管路的有效截面积相当，从而确保冷却液能够在同轴管内均匀流动。
进一步的，所述用于连接快接式进/出液管的进/出液快接卡箍均采用不锈钢材质，卡箍尺寸对应着快接式进液管和出液管的接口卡盘直径。
进一步的，所述升降式底座的可伸缩螺杆的行程为80mm，材质为黄铜或紫铜材质。
进一步的，所述交换室材质为黄铜或紫铜，进液管从交换室侧壁进入，进液管与交换室的连接处采用焊接处理；进液管为一直角弯管，冷却液在管内的流动方向在交换室轴心位置处发生垂直变换，交换室上盖焊接同轴进液室，交换室下盖与出液口连接；所述交换室腔体外径是同轴进液室的两倍，交换室顶部距离样品台底部距离大于或等于150mm，该参数设计保证了冷却液在装置内的均匀流动。
进一步的，所述测温单元为热电偶，优选采用的是钨铼合金K型热电偶，直径1.5～3.0mm，测温单元用于测量冷却液的温度变化，其通过测温单元固定螺母将其固定于交换室侧壁；热电偶外装配有陶瓷铠装用于金属探头的电绝缘。
进一步的，所述同轴进液室的顶部与样品放置台底部的背冷板连接，其有效冷却面积是待测样品接触面积的两倍以上，确保待测样品与冷却液能够充分接触。
进一步的，所述同轴进液室采用黄铜或紫铜材质；为确保进/出管路的同轴性，在同轴进液室内同轴进液管外壁设有3个凸台限位结构，所述凸台限位结构在同轴进液管的周向方向上呈均匀分布，并且在轴向方向呈阵列排布，使冷却液在同轴进液室的出液管内涡旋流动，以尽量减少限位结构对冷却液流动的影响。所述凸台限位结构厚度等于外管内径与内管外径之差。
进一步的，所述样品放置台为能够将样品半下沉于样品放置台内的半沉式样品放置台，其下沉深度为0.5～1.0mm，即顶部中心位置开设有深度为0.5～1.0mm的样品放置孔，所述样品放置孔可以为方孔，样品放置台底部与冷却液直接接触；所述样品放置台的底部四周则开设有沉孔，所述沉孔的位置与样品固定法兰的沉头螺孔同心；具体的，所述样品放置台顶部开设有方形样品放置孔，底部四周则开设有4个六边形沉孔，其位置与样品固定法兰的M5沉头螺孔同心，该设计方便绝缘上盖与上侧壁绝缘罩之间实现无缝对接。
进一步的，所述样品放置台材质为黄铜或紫铜。
进一步的，所述放置台上的样品是通过样品固定法兰将其固定，通过法兰固定螺丝将样品固定法兰和样品放置台紧密贴合。样品固定法兰是最靠近高密度等离子体的金属结构，直接面向等离子体结构，其材质选择金属钼、金属钨或钨合金材料。
进一步的，所述束流栅极板的材质选用金属钼、金属钨或钨合金材料。
进一步的，所述样品固定法兰厚度大于或等于5mm，保证其结构强度；所述样品固定法兰的外周设置有沉头螺孔，在中心处开设有圆形沉孔，所述圆形沉孔中心处开设有通孔；具体的，样品固定法兰外周设置有4个M5沉头螺孔，在中心处开设有直径30mm圆形沉孔，沉孔中心处开设有直径10mm通孔，该设计主要是配合绝缘上盖结构设计，减少固定法兰对离子束流强度的影响。
进一步的，所述绝缘上盖用于保护样品固定法兰、样品放置台等金属部件免受载能粒子的直接轰击，其材质选择高温结构稳定且绝缘性良好的氮化硼材料；绝缘上盖由内向外设置有3级凸台结构，该设计有效保护金属部件免受载能粒子侵蚀；同时，凸台的存在极大的减少了结构部件对离子束流强度的影响。
进一步的，所述上/下侧壁绝缘罩和绝缘固定环是通过依次增加圆周半径来实现无缝衔接。由上至下，侧壁绝缘罩卡盘外径依次增加5mm，类似的，上绝缘固定环内径则相较于下绝缘固定环内径减少5mm。
进一步的，所述同轴进液室上部也置于等离子体空间内，上/下侧壁半绝缘罩对半拼接，绝缘罩作用是将同轴进液室与高密度等离子体离化空间隔绝，材质选用氮化硼材料；所述的绝缘固定环用于固定对半拼接的上/下侧壁半绝缘罩，上/下侧壁半绝缘罩和绝缘固定环是通过依次增加半径来实现无缝衔接和快速拆装。
进一步的，所述负偏压接线柱用于连接偏压源，通过接线螺母固定偏压线。
进一步的，所述固定式底座与绝缘垫的材质选用聚四氟乙烯材料。所述冷却实验台与固定式底座之间通过添加绝缘垫进行隔绝，绝缘垫分成绝缘上帽和绝缘底帽上下两部分结构，所述绝缘上帽为平垫，所述绝缘底帽采用T型结构，该设计可彻底隔绝固定螺丝与冷却实验台底板接触，并能够嵌入到螺丝通孔内，保证冷却实验台底座、固定螺丝及固定式底座之间实现完全绝缘。
本发明装置的优点如下：本发明所述的冷却实验台所有管路均采用快接形式，保证了安装及维护的便捷性，方便设备的日常维护与器件更换；采用固定法兰结构保证了待测样品与样品放置台背冷板充分接触，提高冷却效率；采用绝缘结构包裹在金属结构部件外壁，使得该装置能够实际用于大功率射频辐照系统；采用可伸缩螺杆结构实现样品高度的快速调整；采用铠装热电偶结构，尽可能的接近冷却液出口端测量，确保了降温效率测定的准确性；在选材和结构设计方面，本发明也充分考虑并选择了耐高热且成本低廉的“钼、铜、氮化硼”等结构材料；装置设计充分考虑结构简易化，节省制作成本；本装置除适用于等离子体辐照系统外，也适用于粒子加速系统和中性束加热系统，适用范围广泛。
附图说明
图1是一种有效缓解射频离子源内样品热量集中的冷却实验台整体结构的三维示意图；
图2是一种有效缓解射频离子源内样品热量集中的冷却实验台整体结构的正视图；
图3是一种有效缓解射频离子源内样品热量集中的冷却实验台整体结构的俯视图；
图4是冷却实验台中包括样品固定法兰、样品放置台、同轴进液室、绝缘罩、绝缘固定环和栅极板结构的剖视图；
图5是冷却实验台整体结构的剖视图；
图6是射频源内直接面向高密度等离子体的金属结构部件(不加绝缘罩)三维示意图；
图7是样品固定法兰的正视图(左)和三维示意图(右)；
图8是冷却实验台的升降式底座、交换室、同轴进液室和样品放置台的三维示意图；
图9是同轴进液室的进液管的三维示意图(左侧)和俯视图(右)；
图10是绝缘上盖的剖视图；
图11是上侧壁半绝缘罩的三维示意图；
图12是下侧壁半绝缘罩的三维示意图；
图13是绝缘上帽(上)和绝缘底帽(下)的三维示意图。
图中：1、快接式进液管，2、快接式出液管，3、进液快接卡箍，4、出液快接卡箍，5、升降式底座，6、交换室，7、同轴进液室，8、样品放置台，9、测温单元，10、测温单元固定螺母，11、绝缘上盖，12、上侧壁半绝缘罩，13、上绝缘固定环，14、下侧壁半绝缘罩，15、下绝缘固定环，16、样品固定法兰，17、法兰固定螺丝，18、半束流栅极板，19、负偏压接线柱，20、接线螺母，21、底盖固定螺丝，22、绝缘上帽，23、绝缘底帽，24、固定底座，25、凸台限位结构。
具体实施方式
下述非限定性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
如图1-13所示，一种有效缓解射频离子源内样品热量集中的冷却实验台，主要包括由上到下依次设置的样品放置台8、同轴进液室7、交换室6、升降式底座，以及设置于样品放置台8上方的绝缘上盖11和设置于同轴进液室7外部的侧壁绝缘罩；
所述样品放置台8的顶部开设有样品放置孔，将样品放置于样品放置台8的放置孔内；所述样品放置台8的上方设有样品固定法兰16，所述样品固定法兰16的上方设有绝缘上盖11，绝缘上盖11位于整个装置的最顶端，所述绝缘上盖11依靠重力与样品固定法兰16贴合；样品固定法兰16与样品放置台8之间通过螺丝锁紧，确保样品表面与样品放置台冷却面充分接触。将样品放置于样品放置台8的放置孔内通过法兰固定螺丝17将样品固定法兰16与样品放置台8固定。
所述样品放置台8与同轴进液室7直接接触；所述同轴进液室7下端连接交换室6，所述同轴进液室7与交换室6连通，交换室6用于进液管路和出液管路的分流；所述同轴进液室7内设有同轴进液管，所述交换室6设有测温单元、快接式进液管1和快接式出液管2，快接式进液管1通过进液快接卡箍3与同轴进液管连接，所述交换室6的出液口通过出液快接卡箍4与快接式出液管2连接，冷却液通过快接式进液管1和快接式出液管2进行输送，测温单元9穿过交换室6侧壁进行冷却液温度监测；所述交换室6下端连接升降式底座5，可以进行样品高度调整；
所述侧壁绝缘罩包括上侧壁绝缘罩和下侧壁绝缘罩，所述上侧壁绝缘罩位于下侧壁绝缘罩的上方，同轴进液室7的侧壁采用上下侧壁绝缘罩共同包裹；为了便于安装，所述上侧壁绝缘罩和下侧壁绝缘罩均采用对半拼接使用，所述上侧壁绝缘罩和下侧壁绝缘罩沿径向方向被一分为二，即为两个上侧壁半绝缘罩12和下侧壁半绝缘罩14，两个上侧壁半绝缘罩12对半拼接形成上侧壁绝缘罩，两个下侧壁半绝缘罩14对半拼接形成下侧壁绝缘罩14，并通过上绝缘固定环13和下绝缘固定环15将对半拼接的上侧壁绝缘罩和下侧壁绝缘罩分别固定。上侧壁半绝缘罩12和下侧壁半绝缘罩14用于保护置于源区内的同轴进液室7免受载能粒子侵蚀。所述侧壁绝缘罩外部设有束流栅极板，半束流栅极板18安装于样品放置台8下方。所述束流栅极板沿径向方向被一分为二，即形成两个半束流栅极板18，两个半束流栅极板18对半拼接于上侧壁绝缘罩的外壁。
绝缘上盖11位于冷却实验台最上方，保护样品放置台8、样品固定法兰16和法兰固定螺丝17免受载能离子侵蚀。为防止绝缘上盖11阻挡等离子体束流，在其中心位置开设有圆形沉孔。在与样品接触位置处另设置有反向凸台，该凸台的作用是防止样品附近金属材料受到载能粒子轰击后产生杂质而污染待测样品。
样品放置台8与同轴进液室7焊接，样品放置台8开设有4个呈圆周均匀分布的M5沉孔，并且在中心处开设有方槽用于放置待测样品。同轴进液管7中冷却液流经的有效冷却面积是待测样品面积的两倍，从而确保待测样品与背冷面能够充分接触。样品固定法兰16用于固定样品，通过法兰固定螺丝17将样品与样品放置台8充分接触。
样品固定法兰16是对应于样品放置台8，同样开设有4个沉头螺孔，并开设有直径为30mm的圆形沉孔，使尽量减少样品固定法兰16对样品附近的粒子流的干扰。
冷却实验台的升降式底座5是通过4个可伸缩螺杆进行高度调整，4个伸缩螺杆连接了升降式底座5的上盖和下盖，样品在射频源内的高度是通过调整升降式底座上的可伸缩螺杆来实现；升降式底座5的上盖焊接有偏压接线柱19，接线螺母20用于固定偏压线。升降式底座与固定底座24之间的电绝缘则是通过在接触位置处添加绝缘上帽22和绝缘底帽23来隔绝，并通过4个M10底盘固定螺丝21进行结构固定和限位。固定底座24置于辐照损伤模拟真空系统内，用于冷却实验台的限位，固定底座24上方设置有4个螺纹螺孔，用于固定冷却实验台。交换室6的出液口焊接在升降式底座5的上盖中心位置处，通过出液快接卡箍4将出液口与快接式出液管2相连接。交换室6内同轴进液室7的进液管是由交换室6侧壁进入，在交换室6中心轴位置处液体流动方向由水平方向更改为垂直方向，同轴进液室7的进液管是通过进液快接卡箍3与快接式进液管1相连接。
测温单元9为钨铼合金K型热电偶，测温单元9用于测量冷却液的温度变化，其通过测温单元固定螺母10将其固定于交换室6侧壁；热电偶外装配有陶瓷铠装用于金属探头的电绝缘。
为确保同轴进液室7的进液管与出液管保持同轴心，在同轴进液室7的进液管外壁焊接有3个凸台限位结构25；凸台限位结构25在周向方向均匀等距分布，而在轴向方向上呈阵列分布。
所述快接式进液管1与快接式出液管2均采用不锈钢波纹管，冷却液能够在同轴管内均匀流动。
固定底座24的材质为不锈钢，交换室6的材质为紫铜，样品放置台8的材质为紫铜，同轴进液室7采用紫铜材质，样品固定法兰16的材质为钨，半束流栅极板18的材质为钨，绝缘上盖11的材质为氮化硼，上侧壁半绝缘罩12和下侧壁半绝缘罩14的材质为氮化硼陶瓷材质，上绝缘固定环13和下绝缘固定环15的材质为氮化硼，绝缘垫的材质为聚四氟乙烯；升降式底座5的材质为紫铜。
实施例2
如图1-13所示，一种有效缓解射频离子源内样品热量集中的冷却实验台，主要包括由上到下依次设置的样品放置台8、同轴进液室7、交换室6、升降式底座，以及设置于样品放置台8上方的绝缘上盖11和设置于同轴进液室7外部的侧壁绝缘罩；
所述样品放置台8的顶部开设有样品放置孔，将样品放置于样品放置台8的放置孔内；所述样品放置台8的上方设有样品固定法兰16，所述样品固定法兰16的上方设有绝缘上盖11，绝缘上盖11位于整个装置的最顶端，所述绝缘上盖11依靠重力与样品固定法兰16贴合；样品固定法兰16与样品放置台8之间通过螺丝锁紧，确保样品表面与样品放置台冷却面充分接触。将样品放置于样品放置台8的放置孔内通过法兰固定螺丝17将样品固定法兰16与样品放置台8固定。
所述样品放置台8与同轴进液室7直接接触；所述同轴进液室7下端连接交换室6，所述同轴进液室7与交换室6连通，交换室6用于进液管路和出液管路的分流；所述同轴进液室7内设有同轴进液管，所述交换室6设有测温单元、快接式进液管1和快接式出液管2，快接式进液管1通过进液快接卡箍3与同轴进液管连接，所述交换室6的出液口通过出液快接卡箍4与快接式出液管2连接，冷却液通过快接式进液管1和快接式出液管2进行输送，测温单元9穿过交换室6侧壁进行冷却液温度监测；所述交换室6下端连接升降式底座5，可以进行样品高度调整；
所述侧壁绝缘罩包括上侧壁绝缘罩和下侧壁绝缘罩，所述上侧壁绝缘罩位于下侧壁绝缘罩的上方，同轴进液室7的侧壁采用上下侧壁绝缘罩共同包裹；为了便于安装，所述上侧壁绝缘罩和下侧壁绝缘罩均采用对半拼接使用，所述上侧壁绝缘罩和下侧壁绝缘罩沿径向方向被一分为二，即为两个上侧壁半绝缘罩12和下侧壁半绝缘罩14，两个上侧壁半绝缘罩12对半拼接形成上侧壁绝缘罩，两个下侧壁半绝缘罩14对半拼接形成下侧壁绝缘罩14，并通过上绝缘固定环13和下绝缘固定环15将对半拼接的上侧壁绝缘罩和下侧壁绝缘罩分别固定。上侧壁半绝缘罩12和下侧壁半绝缘罩14用于保护置于源区内的同轴进液室7免受载能粒子侵蚀。所述侧壁绝缘罩外部设有束流栅极板，半束流栅极板18安装于样品放置台8下方。所述束流栅极板沿径向方向被一分为二，即形成两个半束流栅极板18，两个半束流栅极板18对半拼接于上侧壁绝缘罩的外壁。
绝缘上盖11位于冷却实验台最上方，保护样品放置台8、样品固定法兰16和法兰固定螺丝17免受载能离子侵蚀。为防止绝缘上盖11阻挡等离子体束流，在其中心位置开设有直径30mm、深度为3mm的圆形沉孔。在与样品接触位置处另设置有高度1mm的反向凸台，该凸台的作用是防止样品附近金属材料受到载能粒子轰击后产生杂质而污染待测样品。
样品放置台8与同轴进液室7焊接，样品放置台8开设有4个呈圆周均匀分布的M5沉孔，并且在中心处开设有一个10.5mm*10.5mm的深度为0.5mm方槽用于放置待测样品。同轴进液管7中冷却液流经的有效冷却面积是待测样品面积的两倍，从而确保待测样品与背冷面能够充分接触。样品固定法兰16用于固定样品，通过法兰固定螺丝17将样品与样品放置台8充分接触。
样品固定法兰16是对应于样品放置台8，同样开设有4个M5沉头螺孔，并开设有直径为30mm的圆形沉孔，使尽量减少样品固定法兰16对样品附近的粒子流的干扰。
冷却实验台的升降式底座5是通过4个可伸缩螺杆进行高度调整，4个伸缩螺杆连接了升降式底座5的上盖和下盖，样品在射频源内的高度是通过调整升降式底座上的可伸缩螺杆来实现；升降式底座5的上盖焊接有偏压接线柱19，接线螺母20用于固定偏压线。升降式底座与固定底座24之间的电绝缘则是通过在接触位置处添加绝缘上帽22和绝缘底帽23来隔绝，并通过4个M10底盘固定螺丝21进行结构固定和限位。固定底座24置于辐照损伤模拟真空系统内，用于冷却实验台的限位，固定底座24上方设置有4个M10内螺纹螺孔，用于固定冷却实验台。交换室6的出液口焊接在升降式底座5的上盖中心位置处，通过出液快接卡箍4将出液口与快接式出液管2相连接。交换室6内同轴进液室7的进液管是由交换室6侧壁进入，在交换室6中心轴位置处液体流动方向由水平方向更改为垂直方向，同轴进液室7的进液管是通过进液快接卡箍3与快接式进液管1相连接。
测温单元9为钨铼合金K型热电偶，直径1.5mm，测温单元9用于测量冷却液的温度变化，其通过测温单元固定螺母10将其固定于交换室6侧壁；热电偶外装配有陶瓷铠装用于金属探头的电绝缘。
为确保同轴进液室7的进液管与出液管保持同轴心，在同轴进液室7的进液管外壁焊接有3个凸台限位结构25；凸台限位结构25在周向方向均匀等距分布，而在轴向方向上呈阵列分布，凸台限位结构25厚度等于外管内径与内管外径之差，为5mm。
所述快接式进液管1与快接式出液管2均采用不锈钢波纹管，快接式进液管1内径选择11mm，快接式出液管2内径选择20mm，使得进液管路和出液管路的有效截面积相当，从而确保冷却液能够在同轴管内均匀流动。
固定底座24的材质为不锈钢，交换室6的材质为紫铜，样品放置台8的材质为紫铜，同轴进液室7采用紫铜材质，样品固定法兰16的材质为钨，半束流栅极板18的材质为钨，绝缘上盖11的材质为氮化硼，上侧壁半绝缘罩12和下侧壁半绝缘罩14的材质为氮化硼陶瓷材质，上绝缘固定环13和下绝缘固定环15的材质为氮化硼，绝缘垫的材质为聚四氟乙烯；升降式底座5的可伸缩螺杆的距离行程为80mm，材质为紫铜材质。样品固定法兰16厚度为5mm。交换室6的顶盖到样品放置台8底部的距离为150mm。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种有效缓解射频离子源内样品热量集中的冷却实验台，其特征在于：所述冷却实验台包括由上到下依次设置的样品放置台、同轴进液室、交换室、升降式底座，以及设置于样品放置台上方的绝缘上盖和设置于同轴进液室外部的侧壁绝缘罩，
所述同轴进液室与交换室连通，所述同轴进液室内设有同轴进液管，所述交换室设有测温单元、快接式进液管和快接式出液管，所述快接式进液管与同轴进液管连接；
所述样品放置台的顶部开设有样品放置孔，所述样品放置台的上方设有样品固定法兰，所述样品固定法兰的上方设有绝缘上盖，所述绝缘上盖与样品固定法兰贴合；
所述侧壁绝缘罩外部设有束流栅极板；
所述升降式底座设有负偏压接线柱，所述升降式底座的下方设有固定底座，所述升降式底座与固定底座之间通过底座固定螺丝连接，所述升降式底座与底座固定螺丝之间设有绝缘垫；
所述绝缘上盖由内向外具有3级凸台结构；所述样品固定法兰的外周设置有沉头螺孔，在中心处开设有圆形沉孔，所述圆形沉孔中心处开设有通孔；所述样品放置台的底部四周则开设有沉孔，所述沉孔的位置与样品固定法兰的沉头螺孔同心；所述同轴进液管的外壁设有3个凸台限位结构，所述凸台限位结构沿同轴进液管的周向方向均匀等距排布，且在轴向方向上阵列排布；所述凸台限位结构的厚度等于同轴进液室内径与同轴进液管外径之差；所述侧壁绝缘罩底部设置有凸台结构。
2.根据权利要求1所述的一种有效缓解射频离子源内样品热量集中的冷却实验台，其特征在于：所述侧壁绝缘罩包括上侧壁绝缘罩和下侧壁绝缘罩，所述上侧壁绝缘罩位于下侧壁绝缘罩的上方，所述上侧壁绝缘罩和下侧壁绝缘罩均采用对半拼接使用，并通过绝缘固定环将上侧壁绝缘罩和下侧壁绝缘罩固定；所述束流栅极板采用对半拼接使用。
3.根据权利要求1所述的一种有效缓解射频离子源内样品热量集中的冷却实验台，其特征在于：所述快接式进液管通过进液快接卡箍与同轴进液管连接，所述交换室的出液口通过出液快接卡箍与快接式出液管连接。
4.根据权利要求1所述的一种有效缓解射频离子源内样品热量集中的冷却实验台，其特征在于：所述样品固定法兰与样品放置台之间通过螺丝锁紧。
5.根据权利要求1所述的一种有效缓解射频离子源内样品热量集中的冷却实验台，其特征在于：所述升降式底座设有可伸缩螺杆；所述测温单元为热电偶；所述样品放置台为半沉式样品放置台。
6.根据权利要求1所述的一种有效缓解射频离子源内样品热量集中的冷却实验台，其特征在于：所述的绝缘上盖、上侧壁绝缘罩、下侧壁绝缘罩和绝缘固定环均采用氮化硼陶瓷材料；所述的样品固定法兰、束流栅极板的材质选用金属钼、金属钨或钨合金材料；所述的样品放置台、同轴进液室、交换室、升降式底座均采用黄铜或紫铜材料。
7.根据权利要求1所述的一种有效缓解射频离子源内样品热量集中的冷却实验台，其特征在于：所述的样品固定法兰厚度大于或等于5 mm；所述同轴进液室的顶部作为背冷板，其有效冷却面积是待测样品接触面积的两倍以上；所述的交换室腔体的外径是同轴进液室的两倍，所述交换室顶部距离样品台底部距离大于或等于150 mm。
8.根据权利要求2所述的一种有效缓解射频离子源内样品热量集中的冷却实验台，其特征在于：所述下侧壁绝缘罩外部的绝缘固定环内径大于上侧壁绝缘罩外部的绝缘固定环外径。
9.根据权利要求1所述的一种有效缓解射频离子源内样品热量集中的冷却实验台，其特征在于：所述绝缘垫包括绝缘上帽和绝缘底帽，所述绝缘上帽为平垫，所述绝缘底帽采用T型结构；所述绝缘垫选用聚四氟乙烯材料。
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