一种有效缓解射频离子源内样品热量集中的冷却实验台制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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，本发明专利技术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。适用范围广泛。适用范围广泛。

【技术实现步骤摘要】
一种有效缓解射频离子源内样品热量集中的冷却实验台


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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
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PSI装置、PICSES
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A/B装置以及NAGDIS
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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10
22
‑
10
24
/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。
[0004]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。本专利技术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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的具体技术方案如下：
[0007]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；
[0008]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；
[0009]所述交换室下端连接升降式底座，可以进行样品高度调整；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]进一步的，所述侧壁绝缘罩底部设置有凸台结构。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪维元，牛春杰，刘东平，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：