CN220454256U - 用于中子散射的低背底稳态激光加热炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了中子散射技术领域的一种用于中子散射的低背底稳态激光加热炉，包括安装在炉体结构上的连接组件、加热系统和冷却辅助系统，本发明具有对中子信号探测的影响小、样品形态不限、升温速度快等优点，且可满足用户对高真空环境下样品环境温度为2000℃以上的需求，加热方式采用两个激光器对称布置，同时加热；更具体的是，本发明中的加热炉采用对称布置的两台激光器同时加热样品，且两台激光器的连续出光功率可调，具有加热速度快，温度范围大等优点，满足中子散射用户对不同温区的需求，同时，还预留了一个从不同位置观察光斑形状、测温等的窗口，尽可能多的满足用户的各种需求。

Description

用于中子散射的低背底稳态激光加热炉

技术领域

本发明涉及中子散射技术领域，具体为一种用于中子散射的低背底稳态激光加热炉。

背景技术

由于中子具有磁矩、不带电、穿透力强、可鉴别同位素等优点，且与X射线相比，中子对轻元素更灵敏，因此中子散射技术作为一种从原子和分子尺度上研究物质结构和动态特性的表征手段，在很多领域发挥着不可替代的作用。中子散射实验过程中，通常会根据样品实际应用的现实环境设置相应的实验环境，高温环境下的中子散射实验可研究材料的热稳定性等，也可为研发超高温材料提供帮助，从而促进相关行业的发展，目前中子散射原位测量中应用的高温设备主要有感应加热、激光加热、金属箔元件高温炉三种方式。其中感应加热设备，主要用于应力应变原位实验，其最高使用温度不超过1300℃，应用较多的为金属箔元件高温炉，其升温过程相对缓慢，最高温度可达1800℃，但加热元件长期处于1800℃时损耗严重，故金属箔元件高温炉通常仅为中子散射实验提供1600℃及以下的高温样品环境，此外，中子穿过金属箔元件高温炉，需要穿过包括保温屏和发热元件在内的多层金属薄片，不可避免的会产生相应的杂散中子或背底，影响对中子信号的探测，能提供1600℃以上样品环境温度的高温设备为激光加热悬浮炉，包括基于静电的和基于气动的，在整个实验过程中，样品都在不停的旋转，且该旋转不可控，故激光加热悬浮炉对样品的重量、形状变化等存在较大限制，此外，激光加热悬浮调试需占用大量时间，不便于实验的开展，另外，激光加热静电悬浮炉须加载高压电，容易造成放电击穿事故，而激光加热气动力悬浮炉的强气流会干扰样品和温度，对控制系统要求较高，由此，悬浮炉的适用范围相对较小，尤其是遇到液态、粉末状等轻质量的样品时，难以进行实验。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于中子散射的低背底稳态激光加热炉，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：用于中子散射的低背底稳态激光加热炉，包括安装在炉体结构上的连接组件、加热系统和冷却辅助系统，所述炉体结构包括炉筒，炉筒上端面通过法兰顺序安装有上盖和焊接圆盘；所述焊接圆盘上安装有可贯穿炉筒内外送样机构，送样机构在炉筒内的一端安装有样品盒，在炉筒外一端相对卡接在焊接圆盘上；所述的加热系统安装在炉筒顶部，包括安装在准直镜上的激光器、红外测温仪和CCD，激光器对准样品盒照射加热。

所述的送样机构沿着炉筒上下运动带动样品盒上下移动。

所述连接组件安装在焊接圆盘上，包括真空规下接管、放气阀下接管、分子泵下接管、激光器下接管和中心管。

所述的送样机构通过设置于中心管内部实现样品盒在炉筒的内外输送。

所述炉筒底部固定安装有底盘，所述底盘底部安装有孔板，法兰的侧面布置有封水条。

所述连接组件包括固定安装在焊接圆盘上的呈对称分布的两个真空规下接管和两个放气阀下接管。

所述焊接圆盘上还固定安装有分子泵下接管，所述焊接圆盘上还固定安装有三个分别呈度、度和度的激光器下接管；焊接圆盘上固定安装有两个水嘴。

所述冷却辅助系统包括分别安装在上法兰、底盘上的两个直角水嘴座。

所述上盖上安装有总进水嘴，所述上盖上还安装有总出水嘴。

所述炉筒上下侧分别安装有上水嘴座和下水嘴座，所述两个直角水嘴座之间安装有长水管，所述上、下水嘴座、之间安装有短水管。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的一种用于中子散射的低背底稳态激光加热炉具有对中子信号探测的影响小、样品形态不限、升温速度快等优点，且可满足用户对高真空环境下样品环境温度为2000℃以上的需求，加热方式采用两个激光器对称布置，同时加热。

更具体的是，用于中子散射的低背底稳态激光加热炉采用对称布置的两台激光器同时加热样品，且两台激光器的连续出光功率可调，具有加热速度快，温度范围大等优点，满足中子散射用户对不同温区的需求，同时，还预留了一个从不同位置观察光斑形状、测温等的窗口，尽可能多的满足用户的各种需求。

此外，设计了静止存放样品的样品盒，扩大了本发明使用的适用性，既适用于液体样品，又适用固体样品，既适用于粉末、颗粒样品，又适用于块状等各种形状的样品。

另外，本发明的一种用于中子散射的低背底稳态激光加热炉的炉筒可以根据需要选择不同的材料，如非弹性中子散射实验可选择铝制的炉筒，弹性中子散射实验可选择钒制的炉筒等等，同时，由于每台谱仪上的中子探测器的布置位置不完全相同，为防止对中子探测器产生干扰，本发明的一种中子散射低背底稳态激光加热炉上的长水管、短水管的相对位置和角度可以根据实际运用场景灵活调整，使本发明的一种中子散射低背底稳态激光加热炉适用于各台谱仪；最后，设计了两路冷却水循环流动，保证本发明的一种用于中子散射的低背底稳态激光加热炉能够安全稳定的工作，同时，还设计了多个异常报警信号，提高整个系统的安全性，红外测温仪和的CCD分别用于测量样品盒表面的温度和观察样品盒上的激光光斑形状等，二者既可以布置在准直镜的折线端面上，也可布置在的分子泵下接管对侧的激光器下接管上，长水管和短水管分别位于两直角水嘴座之间和上、下水嘴座之间，且二者之间的相对角度和位置可以根据谱仪的散射暗角来进行对应的调整，两台激光器使用时可以根据实际需要调整激光器的功率，第一路为：冷水机出来的冷却水从焊接圆盘上的一个水嘴流入顶部冷却水腔，然后由焊接圆盘上的另一个水嘴回到冷水机；第二路为：冷水机出来的冷却水从上盖边缘处的总进水嘴流入，经上法兰内部的高级异型孔流入长水管，然后先后进入底部冷却水腔和下冷却水腔，此后经短水管进入上冷却水腔，最后经上法兰从上盖边缘处的总出水嘴离开激光加热炉，长水管上、下两端均设有直角水嘴座。

附图说明

图1为本发明炉体结构立体图；

图2为本发明炉体结构的俯视图；

图3为本发明图2中A-A处剖视图；

图4为本发明图2中B-B处剖视图；

图5为本发明激光法兰盘的剖视图；

图6为本发明整体结构立体图。

图中：1、炉体结构；2、连接组件；3、加热系统；4、冷却辅助系统；5、上冷却水腔；6、下冷却水腔；7、底部冷却水腔；8、顶部冷却水腔；10、炉筒；11、水冷套；12、底盘；13、孔板；14、上法兰；15、上盖；16、焊接圆盘；17、送样机构；18、样品盒；19、封水条；20、真空规下接管；21、放气阀下接管；22、分子泵下接管；23、激光器下接管；24、中心管；25、法兰盘；30、法兰固定面；31、准直镜；32、激光器；33、红外测温仪；34、CCD；40、直角水嘴座；41、水嘴；42、总进水嘴；43、总出水嘴；44、上水嘴座；45、下水嘴座；46、长水管；47短水管。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，本发明提供如下技术方案：一种用于中子散射的低背底稳态激光加热炉，包括安装在炉体结构1上的连接组件2、加热系统3和冷却辅助系统4，所述炉体结构1包括炉筒10，炉筒10上端面通过法兰14顺序安装有上盖15和焊接圆盘16；所述焊接圆盘16上安装有可贯穿炉筒10内外送样机构17，所述送样机构17布置在炉筒10的中心位置处，送样机构17在炉筒10内的一端安装有样品盒18，在炉筒10外一端相对卡接在焊接圆盘16上，送样机构17沿着炉筒10上下运动带动样品盒18上下移动；所述连接组件2安装在焊接圆盘16上，包括真空规下接管20、放气阀下接管21、分子泵下接管22、激光器下接管23和中心管24，其中送样机构17通过设置于中心管24内部实现样品盒18在炉筒10的内外输送；所述的加热系统3安装在炉筒10顶部，包括安装在准直镜31上的激光器32、红外测温仪33和CCD34，激光器32对准样品盒18照射加热。

以下将通过具体实施例进行说明，一种用于中子散射的低背底稳态激光加热炉包括炉体结构1，连接组件2，加热系统3和冷却辅助系统4，所述炉体结构1包括炉筒10，所述炉筒10上端和下端外侧固定安装有水冷套11，所述炉筒10底部固定安装有底盘12，所述底盘12底部安装有孔板13，所述炉筒10顶部安装有上法兰14，所述上法兰14顶部固定安装有上盖15，所述上盖15顶部安装有焊接圆盘16，所述送样机构17布置在所述炉体结构1的中心位置处，所述样品盒18布置在所述送样机构17的最下端，所述上法兰14的侧面布置有封水条19，所述连接组件2包括固定安装在焊接圆盘16上的呈对称分布的两个真空规下接管20和两个放气阀下接管21，所述焊接圆盘16上还固定安装有分子泵下接管22，所述焊接圆盘16上还固定安装有三个分别呈0度、90度和180度的激光器下接管23，所述焊接圆盘16中央固定安装有中心管24，所述焊接圆盘16上安装有送样机构17，所述送样机构17底部固定安装有盛放样品的样品盒18，所述激光器下接管23顶部固定安装有法兰盘25，所述加热系统3包括固定安装在法兰盘25上的法兰固定面30，所述法兰固定面30上固定安装准直镜31，所述准直镜31上安装有激光器32和红外测温仪33或CCD34，所述冷却辅助系统4包括分别安装在上法兰14、底盘12上的两个直角水嘴座40，所述焊接圆盘16上固定安装有两个水嘴41，所述上盖15上安装有总进水嘴42，所述上盖15上还安装有总出水嘴43，所述炉筒10上下侧分别安装有上水嘴座44和下水嘴座45，所述两个直角水嘴座40之间安装有长水管46，所述上、下水嘴座44、45之间安装有短水管47。

请参阅图1、图3和图4，炉筒10包括上炉筒101和中炉筒102以及下炉筒103，所述上炉筒101底部安装有中炉筒102，所述中炉筒102底部安装有下炉筒103，上炉筒101的下端设有向外凸出的台阶，下炉筒103的上端设有向外凸出的台阶，所述水冷套11包括焊接在上炉筒101台阶外侧的上水冷套111和焊接在下炉筒103台阶外侧的下水冷套112，上炉筒101外侧焊接上水冷套111，与上法兰14组成封闭的上冷却水腔5，下炉筒103外侧焊接下水冷套112，与底盘12组成封闭的下冷却水腔6，上、下冷却水腔6的设计便于对炉筒进行冷却，使炉筒壁传递出来的热量能够及时被冷却水带走，保证炉筒不被损坏，上水冷套111的下端开有冷却水进口，下水冷套112的上端开有冷却水的出口，使冷却水可以从出口离开下冷却水腔6经短水管47由进口进入上冷却水腔5，短水管47的上、下端分别与焊接在进、出口处的上水嘴座44和下水嘴座45连接，保证冷却水能够顺利流动，防止漏水。中炉筒102的轴向中线、样品盒18的轴向中线与中子束流三者在同一水平高度，且其中炉筒102的高度由竖直方向的散射角度决定，在本实施例中，竖直方向的散射角度为66°～67°；

请参阅图3和图4，底盘12焊接在下炉筒103、下水冷套112的下端，其底部焊接环形的孔板13，形成一个封闭的底部冷却水腔7，此外，所述底盘12底部的中心位置处设有一个圆锥形的小孔，用于定位和将激光加热炉固定在大科学装置的指定位置处。

请参阅图3和图4，上法兰14焊接在上炉筒101和上水冷套111的上端，形成封闭的上冷却水腔5，且上法兰14内部开有许多高级异型孔，侧面设有凹槽，凹槽外焊接封水条19，便于冷却水流入和流出，实现对激光加热炉的良好冷却。

请参阅图1-6，上盖15通过螺钉连接在上法兰的上面，焊接圆盘16焊接在上盖15的上面，形成一个封闭的顶部冷却水腔8，上盖15、焊接圆盘16上布置有其他相关设备的连接组件2，冷却水流入、流出的水嘴41布置在焊接圆盘16上，冷却水的总进水嘴42和总出水嘴43布置在上盖边缘，整个激光加热炉的冷却水循环分为两路，第一路为：冷水机出来的冷却水从焊接圆盘16上的一个水嘴41流入顶部冷却水腔8，然后由焊接圆盘16上的另一个水嘴41回到冷水机；第二路为：冷水机出来的冷却水从上盖15边缘处的总进水嘴42流入，经上法兰14内部的高级异型孔流入长水管46，然后先后进入底部冷却水腔7和下冷却水腔6，此后经短水管47进入上冷却水腔5，最后经上法兰从上盖15边缘处的总出水嘴43离开激光加热炉，长水管46上端和下端均设有直角水嘴座40。

请参阅图1、图3和图4，送样机构17与中心管24之间通过卡箍固定，样品盛放在样品盒18内，由送样机构17经中心管24内部送入炉内，便于装卸，由于样品可盛放在样品盒18内送入炉内加热，所以，样品的形态没有限制，适用性广。

请参阅图2-6，连接组件2采用焊接的方式连接在炉体结构1上，其中激光器下接管23的轴线与竖直线之间的夹角为25°，且其下端指向炉内，所述法兰盘25不同于常见的普通法兰，而是根据实际需要设计的，其上可放置石英片并设有两圈O圈槽，所述红外测温仪33和所述CCD34既可以安装在所述准直镜31上，也可安装在与所述分子泵下接管22呈180°的所述激光器下接管23上，以保证激光入射光路上没有遮挡，激光能够很好的入射在样品盒上，除激光器下接管23之外的其他连接组件的抽线均与竖直线平行，此外法兰盘25与激光器之间通过螺栓连接，其余的均通过卡箍与分子泵、真空规等相关设备连接，方便拆装。

请参阅图4和图6，长水管46和短水管47之间的相对角度和相对位置可以根据谱仪的散射暗角进行调整。

请参阅图1-6，中炉筒102为中子束窗，其材料可根据不同中子散射实验的需要选择，如铝、钒等，且其壁厚很薄，以便于中子束流穿入和穿出，为防止其因炉内的高温环境所损坏，所述炉体结构1的外围设有两路冷却水循环流动，第一路为：冷水机出来的冷却水从焊接圆盘16上的一个水嘴41流入顶部冷却水腔8，然后由焊接圆盘16上的另一个水嘴41回到冷水机；第二路为：冷水机出来的冷却水从上盖15边缘处的总进水嘴42流入，经上法兰14内部的高级异型孔流入长水管46，然后先后进入底部冷却水腔7和下冷却水腔6，此后经短水管47进入上冷却水腔5，最后经上法兰14侧面的凹槽从上盖15边缘处的总出水嘴43离开激光加热炉。

本发明采用对称布置的两台最大功率为500W的激光器同时加热样品，且两台激光器的连续出光功率可调，本实施例中采用光纤激光器，具有加热速度快，温度范围大等优点，满足中子散射用户对不同温区的需求，同时，还预留了一个从不同位置观察光斑形状、测温等的窗口，尽可能多的满足用户的各种需求；此外，设计了静止存放样品的样品盒，使本发明的一种用于中子散射的低背底稳态激光加热炉具有广泛的适用性，既适用于液体样品，又适用固体样品，既适用于粉末、颗粒样品，又适用于块状等各种形状的样品；另外，本发明的一种用于中子散射的低背底稳态激光加热炉的炉筒可以根据需要选择不同的材料，如非弹性中子散射实验可选择铝制的炉筒，弹性中子散射实验可选择钒制的炉筒等等，同时，由于每台谱仪上的中子探测器的布置位置不完全相同，为防止对中子探测器产生干扰，本发明的一种中子散射低背底稳态激光加热炉上的长水管、短水管的相对位置和角度可以根据实际运用场景灵活调整，使本发明的一种中子散射低背底稳态激光加热炉适用于各台谱仪；最后，设计了两路冷却水循环流动，保证本发明的一种用于中子散射的低背底稳态激光加热炉能够安全稳定的工作，同时，还设计了多个异常报警信号，提高整个系统的安全性，红外测温仪和的CCD分别用于测量样品盒表面的温度和观察样品盒上的激光光斑形状等，二者既可以布置在准直镜的折线端面上，也可布置在的分子泵下接管对侧的激光器下接管上，长水管和短水管分别位于两直角水嘴座之间和上、下水嘴座之间，且二者之间的相对角度和位置可以根据谱仪的散射暗角来进行对应的调整，两台激光器均为光纤激光器，其连续出光的最大功率为500W，使用时可以根据实际需要调整激光器的功率，第一路为：冷水机出来的冷却水从焊接圆盘上的一个水嘴流入顶部冷却水腔，然后由焊接圆盘上的另一个水嘴回到冷水机；第二路为：冷水机出来的冷却水从上盖边缘处的总进水嘴流入，经上法兰内部的高级异型孔流入长水管，然后先后进入底部冷却水腔和下冷却水腔，此后经短水管进入上冷却水腔，最后经上法兰从上盖边缘处的总出水嘴离开激光加热炉，长水管上、下两端均设有直角水嘴座。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.用于中子散射的低背底稳态激光加热炉，包括安装在炉体结构(1)上的连接组件(2)、加热系统(3)和冷却辅助系统(4)，其特征在于：所述炉体结构(1)包括炉筒(10)，炉筒(10)上端面通过法兰(14)顺序安装有上盖(15)和焊接圆盘(16)；所述焊接圆盘(16)上安装有可贯穿炉筒(10)内外送样机构(17)，送样机构(17)在炉筒(10)内的一端安装有样品盒(18)，在炉筒(10)外一端相对卡接在焊接圆盘(16)上；所述的加热系统(3)安装在炉筒(10)顶部，包括安装在准直镜(31)上的激光器(32)、红外测温仪(33)和CCD(34)，激光器(32)对准样品盒(18)照射加热。

2.根据权利要求1所述的用于中子散射的低背底稳态激光加热炉，其特征在于：所述的送样机构(17)沿着炉筒(10)上下运动带动样品盒(18)上下移动。

3.根据权利要求1所述的用于中子散射的低背底稳态激光加热炉，其特征在于：所述连接组件(2)安装在焊接圆盘(16)上，包括真空规下接管(20)、放气阀下接管(21)、分子泵下接管(22)、激光器下接管(23)和中心管(24)。

4.根据权利要求1或2所述的用于中子散射的低背底稳态激光加热炉，其特征在于：所述的送样机构(17)通过设置于中心管(24)内部实现样品盒(18)在炉筒(10)的内外输送。

5.根据权利要求1所述的一种用于中子散射的低背底稳态激光加热炉，其特征在于：所述炉筒(10)底部固定安装有底盘(12)，所述底盘(12)底部安装有孔板(13)，法兰(14)的侧面布置有封水条(19)。

6.根据权利要求1所述的一种用于中子散射的低背底稳态激光加热炉，其特征在于：所述连接组件(2)包括固定安装在焊接圆盘(16)上的呈对称分布的两个真空规下接管(20)和两个放气阀下接管(21)。

7.根据权利要求1所述的一种用于中子散射的低背底稳态激光加热炉，其特征在于：所述焊接圆盘(16)上还固定安装有分子泵下接管(22)，所述焊接圆盘(16)上还固定安装有三个分别呈0度、90度和180度的激光器下接管(23)；焊接圆盘(16)上固定安装有两个水嘴(41)。

8.根据权利要求1所述的一种用于中子散射的低背底稳态激光加热炉，其特征在于：所述冷却辅助系统(4)包括分别安装在上法兰(14)、底盘(12)上的两个直角水嘴座(40)。

9.根据权利要求1所述的一种用于中子散射的低背底稳态激光加热炉，其特征在于：所述上盖(15)上安装有总进水嘴(42)，所述上盖(15)上还安装有总出水嘴(43)。

10.根据权利要求8所述的一种用于中子散射的低背底稳态激光加热炉，其特征在于：所述炉筒(10)上下侧分别安装有上水嘴座(44)和下水嘴座(45)，所述两个直角水嘴座(40)之间安装有长水管(46)，所述上、下水嘴座(44、45)之间安装有短水管(47)。