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CN111257351A - 辐照水冷样品台 - Google Patents

辐照水冷样品台 Download PDF

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CN111257351A CN202010086563.2A CN202010086563A CN111257351A CN 111257351 A CN111257351 A CN 111257351A CN 202010086563 A CN202010086563 A CN 202010086563A CN 111257351 A CN111257351 A CN 111257351A
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Abstract

本发明公开了一种辐照水冷样品台，包括样品台主体，所述样品台主体的顶部设有样品放置台，所述样品台主体的底部设有样品托底座，所述样品台主体的外部设有样品保护套；所述样品台主体的下部设有进水口、出水口，所述进水口位于出水口的上方；所述样品台主体的内部设有固定环；所述出水口端与偏压接线连接。利用本发明可实现大功率辐照条件下，温度对等离子体材料表面处理的损伤特性行为进行研究。为ITER偏滤器水冷试验提供实验依据。

Description

辐照水冷样品台
技术领域
本发明涉及在核聚变托克马克技术领域中，能够模拟磁约束核聚变反应过程对第一壁及水冷偏滤器材料，在高温、强粒子轰击条件下的损伤效应进行模拟的一种可行性实验装置。
背景技术
随着传统化石燃料的枯竭及日益严重的环境问题，使得发展新型能源迫在眉睫。上世纪出现的核聚变为解决能源问题带来了一次革新，就目前来说，聚变能的发展已经势不可挡。为了更好的实现技术共享，包含中国在内的俄、美、法等7个成员国共同承担研发费用，并在国际上正式开展“国际热核聚变实验堆计划”即ITER计划。在聚变环境下，作为直接面向等离子体的第一壁材料及用于排除He灰等杂质的偏滤器材料，将受到来自聚变反应物(氘、氚)和产物(氦、中子)的辐照。所产生的杂质容易在强电磁场环境下输运至等离子体芯部，从而造成聚变堆的熄灭。因此，展开面向等离子体材料和聚变环境下等离子体相互作用研究具有重要的科学意义和应用价值。在本发明中，利用自主设计的高功率射频离子源产生高密度等离子体，从而模拟面向等离子材料所处的辐照环境，利用水冷样品托能够将面向等离子体材料表面温度降至1000K以下，从而系统的研究了钨及其合金材料在He+或H+/D+辐照条件下的损伤行为，为ITER计划提供有效的理论及实验数据支撑。
对于核聚变而言，其稳定运行的关键是在于寻找到能够承受强电磁场、高能粒子轰击及高温条件下能够稳定运行的包裹聚变堆的材料。因此，针对目前已有的如铍、钼、钨或碳等关键的聚变堆外包材料，对于其特有的辐照损伤机理研究就显得尤为重要。众所周知，为保证聚变堆的稳定运行，对于堆芯包裹的第一壁材料及偏滤器靶板材料，均采用在钨或铍背靶板焊接铜管并通入冷却水的形式，使其表面温度降低，从而使得面向等离子体材料能够在高温、强粒子轰击条件下能够稳定运行。因此，本设计根据聚变堆实际运行过程中的相关参数，通过自主发明的辐照水冷样品台将放置于等离子体环境中的被测样品温度降低至1000K以下。基于此，本发明自行设计辐照水冷样品台实验装置，其主要目的为了模拟在聚变堆实际运行过程中，在低能大流强的环境下水冷材料本身的性能及结构所产生的变化。迄今为止该装置的设计尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种可用于测试大功率低温辐照条件下样品性能的水冷样品台，能够模拟核聚变堆托克马克运行环境下，面向等离子体材料的辐照损伤行为研究。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：
一种辐照水冷样品台装置，包括样品台主体，所述样品台主体的顶部设有样品放置台，所述样品台主体的底部设有样品托底座，所述样品台主体的外部设有样品保护套；
所述的样品台主体的下部设有进水口、出水口，所述进水口位于出水口的上方；所述样品台主体的内部设有固定环；
所述出水口端与偏压接线连接。
进一步的，所述进水口的一端连接进水管，另一端与进水接口连接。
进一步的，所述的进水口通过固定环固定于样品台主体同轴中心位置处，并且所述进水口的出水端(顶端)与样品放置台距离为10mm。
进一步的，所述的出水口的一端连接出水管，另一端与出水接口连接。
进一步的，所述的样品台主体的内部设有用于固定进水口的出口端的固定环。
进一步的，所述固定环将进水管固定于样品台主体的中心位置处。
进一步的，所述的出水管是焊接在样品托侧面距离样品放置台80mm位置处，保证水循环系统的正常使用。
进一步的，所述的样品台主体分别与进水口和出水口相通；水通过进水口经进水管进入样品台主体，再经出水口流出。
进一步的，所述的偏压线接口放置于出水口端，并距离进水接口10mm的位置处。
进一步的，所述的样品放置台与被测样品相连，所述出水口端通过偏压接线与偏压源相连接。
进一步的，所述的样品托底座与样品台主体固定连接。
进一步的，所述的样品托底座与样品台主体下端通过螺纹紧密连接，保证其与真空腔室的绝缘。
进一步的，所述样品托底座的底部设置有氮化硼底座，所述样品托底座与氮化硼底座固定连接，所述的固定连接的方式为螺纹连接。
进一步的，所述样品台主体，包括样品放置台、进水口、出水口、固定环，由金属钼材料制成。
进一步的，所述样品保护套、样品托底座由采用高温热稳定性好的氮化硼陶瓷材料制成。
所述的样品保护套主体结构为圆柱体，其保护套内径与样品台主体外径保持一致，壁厚为3mm，在样品放置台处开有10mm*10mm方孔，使被测样品能够暴露在等离子体环境下，而其余部分则被氮化硼陶瓷罩保护起来。
综合上述技术方案，利用本发明可实现大功率辐照条件下，温度对等离子体材料表面处理的损伤特性行为进行研究。为ITER偏滤器水冷试验提供实验依据。本发明提供的一种在低能大流强(1×1022ions/m2-1×1023ions/m2)辐照条件下，被测样品经水冷处理后具有如下的有益效果：
利用水冷样品托能够在低能大流强辐照装置下使得材料表面温度降至1000K以下。能够有效地实现聚变装置实际运行过程中，对第一壁及偏滤器材料实际运行温度下的辐照损伤特性进行研究。W材料因其高温稳定等特点，被认为是目前最有希望发展的偏滤器靶板材料。将被测W样品放置于水冷样品台放置上表面，样品台通入冷却水冷却，利用的辐照装置辐照W样品使得在低温条件下表面结构发生改变，并通过扫描电子显微镜(SEM)及原子力显微镜分析W样品表面结构所产生的形貌变化，并与不加水冷时辐照后的样品进行比较。实验发现，在同样入射离子能量条件下，经过水冷循环处理后样品表面有大面积起泡情况而在相同实验条件下，不加水冷循环处理，当表面温度超过1000K时，样品表面便有明显的纳米丝状结构的产生而与有冷却循环水处理条件对比，其样品表面微观结构是完全不同的，所产生的现象也是从未别报道过的，证明了本发明的创新性。
附图说明
图1是辐照样品台主体结构示意图及样品台底座示意图；
图2是样品辐照的SEM图，其中a为水冷样品台辐照处理后样品表面，b为未水冷样品辐照处理后样品表面；
图中：1、进水口，2、出水口，3、样品放置台，4、偏压线接口，5、样品台主体，6、样品托底座，7、进水接口，8、出水接口，9、固定环，10、氮化硼底座，11、样品保护套，12、进水管，13、出水管。
具体实施方式
结合说明书附图对本发明具体实施进一步描述如下。
一种用于辐照冷却装置的水冷样品台，包括样品台主体5，所述样品台主体5的顶部设有样品放置台3，所述样品台主体5的底部设有样品托底座10，所述样品台主体5的外部设有样品保护套11所述样品台主体5的下部设有进水口1、出水口2，所述进水口1位于出水口2的上方，所述样品台主体5的内部设有用于固定进水管的固定环；所述出水口2与偏压接线连接；。
所述的样品台主体5是由高温稳定的金属钼材料制成，即为钼样品台，所述的进水口1是由高温稳定的金属钼材料制成，所述的进水口所述进水口1的一端连接进水管12，另一端与白钢进水接口7连接，通过圆形钼板与样品台主体5下端焊接密封，并通过固定环9将进水口1的出口端固定于样品台主体5的中心位置处，并与上端样品放置台3留有10mm间隙，保证循环水可通过进水管12注入并且喷射在样品放置台3下表面。进水口下端与白钢进水接口7相连，使循环水由样品台主体5下端注入并喷射在样品台上表面，从而达到冷却的效果；
所述的出水口2是采用金属钼材料制成，所述出水口2的一端连接出水管12，另一端与白钢出水接口8连接，所述的出水口2的一端与样品台主体5侧方距离上表面80mm开口处焊接，另一端与出水口接口8相连，保证冷却水能够持续稳定流出。
所述的样品放置台3放置于样品台主体5上顶部，采用金属钼材料制成，表面经抛光处理，与被测样品相连，保证被测样品下表面与样品托放置台3上表面充分接触，从而提高冷却效率。
所述的偏压线接口4放置于出水口2的进水端，出水口2通过偏压接线与偏压源相连接，当开启直流负偏压源时，能够吸引离子轰击在样品表面，模拟辐照损伤实验。
所述的样品保护套11全身采用均有高温热稳定良好的氮化硼陶瓷材料制成，总长度为100mm，直径为30mm，壁厚为3mm。样品保护套11上表面开有10mm*10mm方孔使得被测样品能够完全暴露在等离子体环境中，其余部分则被保护套遮挡住，保护样品台主体5其余部分免受高能粒子轰击，从而造成水冷样品托损害。
所述的样品托底座6由直径60mm的氮化硼陶瓷材料制成，并与水冷样品台主体5下端通过螺纹紧密相连。所述样品托底座6的底部与氮化硼底座10通过螺纹紧密相连。同时确保水冷样品台主体5能够稳定的置于离子源中心位置处，从而保证水冷样品台主体5与真空腔体之间完全绝缘。
本发明的工作原理为，首先将进水接口7一端与进水口1相连，另一端与白钢进水管12相连接，所述进水管11与水冷循环系统相连。出水接口8一端与出水口2相连另一端与白钢出水管13相连。将样品托底座6与样品主体5下端通过螺纹旋紧连接，并放置于真空腔内部。将被测样品放置于样品放置台3中心处，并将样品保护套11由上至下套在水冷样品台主体5外表面，仅确保被测样品暴露于等离子体区域内。将偏压接口4与样品台主体5相连接。打开水冷循环系统，可通过调节进水量调节冷却效率。开启偏压电源，将产生的高密度等离子体，通过定向吸引最终达到被测样品表面进行辐照实验，通过调节进水压力使温度达到预定的实验条件。
将被测W样品放置于水冷样品台放置上表面，样品台通入冷却水冷却，利用自主研发的辐照装置(公开号CN104157321B)辐照W样品使得在低温条件下表面结构发生改变，并通过扫描电子显微镜(SEM)分析W样品表面结构所产生的形貌变化，并与不加水冷时辐照后的样品进行比较。所述测试条件为入射离子能量条件：50ev，功率5kw，能量流为1×1022ions/m2，水冷循环处理样品的温度为800K，不加水冷循环处理的温度为1300K；实验发现，在同样入射离子能量条件(50ev)下，经过水冷循环处理后样品表面有大面积起泡情况(如图2(a)所示)。而在相同实验条件下，不加水冷循环处理，当表面温度超过1300K时，样品表面便有明显的纳米丝状结构的产生(如图2(b)所示)。而与有冷却循环水处理条件对比，其样品表面微观结构是完全不同的，所产生的现象也是从未别报道过的，证明了本发明的创新性。
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 (10)

1.一种辐照水冷样品台，其特征在于：包括样品台主体，所述样品台主体的顶部设有样品放置台，所述样品台主体的底部设有样品托底座，所述样品台主体的外部设有样品保护套；
所述样品台主体的下部设有进水口、出水口，所述进水口位于出水口的上方；所述样品台主体的内部设有固定环；
所述出水口与偏压接线连接。
2.根据权利要求1所述的辐照水冷样品台，其特征在于：所述进水口的一端连接进水管，另一端与进水接口连接。
3.根据权利要求1所述的辐照水冷样品台，其特征在于：所述出水口的一端连接出水管，另一端与出水接口连接。
4.根据权利要求2所述的辐照水冷样品台，其特征在于：所述样品台主体的内部设有用于固定进水口的出水端的固定环。
5.根据权利要求3所述的辐照水冷样品台，其特征在于：所述固定环将进水管固定于样品台主体的中心位置处。
6.根据权利要求1所述的辐照水冷样品台，其特征在于：所述的样品托底座与样品台主体固定连接。
7.根据权利要求1所述的辐照水冷样品台，其特征在于：所述样品放置台与被测样品相连，所述出水口端通过偏压接线与偏压源相连接。
8.根据权利要求1所述的辐照水冷样品台，其特征在于：所述样品托底座的底部设置有氮化硼底座。
9.根据权利要求1所述的辐照水冷样品台，其特征在于：所述样品台主体由金属钼材料制成。
10.根据权利要求1所述的辐照水冷样品台，其特征在于：所述的样品保护套、样品托底座由氮化硼陶瓷材料制成。
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