一种测量材料耐烧蚀特性的装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及核聚变领域，公开了一种测量材料耐烧蚀特性的装置包括：真空系统、激光烧蚀系统、激光诱导击穿光谱（LIBS）测量系统、石英晶体微天平（QCM）测量系统。本实用新型专利技术基于激光烧蚀技术、LIBS技术、QCM测膜厚技术，作为离子枪轰击测量的补充，利用激光烧蚀的方法评估材料的耐烧蚀特性，能够得出材料各个组成成分的烧蚀率，为评估已使用的和寻找更适合托卡马克稳定运行的第一壁材料提供一种可行的检测手段。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及核聚变领域，特别涉及一种测量材料耐烧蚀特性的装置，可测量材料耐烧蚀特性，为评估已使用的和寻找更适合托卡马克稳定运行的第一壁材料提供检测手段。
技术介绍
在磁约束核聚变装置托克马克中，面对等离子体材料关系到聚变等离子体的稳定性及第一壁结构材料和元件免受等离子体轰击损伤等问题。它的主要功能为有效控制进入等离子体的杂质，有效移走辐射到材料表面的热功率，保护非正常停堆时其它部件免受等离子体轰击而损坏。同时，面对等离子体材料应与反应堆运行寿命、可靠性和维护相一致。因此，对其总体要求是与等离子体相容性好、耐高热负荷、耐高通量低能离子和中性粒子辐照、耐高通量高能中子辐照射等。目前尚无任何材料同时满足以上苛刻要求。为测试一种材料是否可作为面对等离子体材料，通常有以下几种方法:将其放入托克马克中，直接接受聚变等离子体的辐照；用离子枪轰击材料；将其放入线性等离子体装置中，模拟偏滤器等离子体环境对面对等离子体材料行照射实验。直接放入托克马克中，能提供进行材料辐照特性研究需要的最佳环境，但是测试周期长，所需成本太高；离子枪是在实验室条件下最常采用的研究面对等离子体材料辐照特性方法，它能得到高能或低能离子轰击对材料性能的影响，但无法研究中性粒子等的影响；国内现有的线性等离子体装置还不能满足对面对等离子体材料测试的需要。我们提出用激光烧蚀的方法，用测量材料烧蚀特性的装置来测量材料的性能，作为离子枪轰击测量的补充，为评估已使用的和寻找更适合托卡马克稳定运行的第一壁材料提供一种可行的检·测手段。材料的烧蚀特性包括多种参数，例如总烧蚀量(单位g)、烧蚀量(单位g/cm2)、烧蚀率(单位g/s)等。其中，总烧蚀量不仅和材料本身性能、烧蚀源特性有关，还与烧蚀时间、烧蚀面积有关。烧蚀量得到的是单位面积损失的质量，烧蚀率得到的则是被烧蚀材料在单位时间损失的质量。若用相同的烧蚀源，在相同的烧蚀距离下，评估不同材料的烧蚀特性，烧蚀率是最佳的评价标准。由烧蚀率不仅可以推断出总烧蚀量，还可得到材料烧蚀特性随时间的变化，这为评估材料的使用寿命提供了参考标准。激光诱导击穿光谱(Laser-1nducedbreakdown spectroscopy,LIBS)可用来对未知成分的样品进行定性和定量元素分析，能用来测定激光烧蚀产生物质的化学成分。当高强度脉冲激光束聚焦在样品表面，极度预热材料一小块体积，导致受辐照区域上方产生瞬态等离子体。等离子体羽发出的光依赖于被烧蚀材料的元素成分，用光谱仪分析发射的光谱，可得到定性或定量的分析结果。通常烧蚀面积小于1_，烧蚀深度低于lOOum，被烧蚀出的材料是微克量级的，因此可将LIBS看成是准无损检测手段。它的主要优点是:直接测量而无需准备样品，可进行原位测量，得到在线结果。与其它经典方法相比，LIBS能够分析各种材料各种聚集态无需样品制备。通常，对于壁表面的成分分析，传统的SIMS、XPS、AES、EDX和RBS等壁分析方法是在离线的工作条件下才可实现对壁表面成分分析任务。相比之下，LIBS可原位同时分析多种元素，对样品进行实时快速检测，已成为当前光谱检测技术的研究热点。对LIBS数据进行分析有多种方法。其中自由定标的方法不需要通过对标准样品进行实验测量得出定标曲线，而是直接根据得到的谱线的相对强度计算出分析组份的浓度。优点:无需定标物，程序简化，与其他方法相比成本较低；全元素测量；真正实现远程在线实时分析。缺点:不考虑自吸收效应，对测量结果会有影响；需对所有的谱线进行分析，工作量相对较大。石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance, QCM or QMB)是以石英晶体为换能元件，利用石英晶体的两个效应，即压电效应和质量负荷效应，将待测物质的质量信号转换成频率信号输出，从而实现质量、浓度等检测的仪器，测量精度可以达纳克量级。QCM具有结构简单、成本低、分辨率高、灵敏度高、特异性好、可实时在线监测等优点，被广泛应用于物理、生物、化学、医学等各个领域。QCM有很好的确定的空间位置和时间分辨率。它能在低热通量区域提供材料获得和损失的有价值数据。
技术实现思路
本技术的目的是:为解决上述现有技术中的技术问题，提供一种测量材料耐烧蚀特性的装置，该装置基于激光烧蚀技术、激光诱导击穿光谱技术、石英晶体微天平测膜厚技术。本技术能评估材料的耐烧蚀特性，得出材料各个组成成分的烧蚀率，为寻找适合作为聚变装置第一壁材料的材料服务。为达到上述目的，本技术采用的技术方案是:提供了一种测量材料耐烧蚀特性的装置，包括:真空系统、激光烧蚀系统、LIBS测量系统、石英晶体微天平测量系统；所述真空系统用于形成测量所需的实验条件，包括:真空室1、真空泵组11、真空规14 ;真空泵组11和真空规14安装在真空室I外端；所述激光烧蚀系统包括:脉冲激光器4、电动二维平台6、样品夹具7、第一聚焦透镜10 ;待测样品放置于样品夹具7上，将样品夹具7固定于电动二维平台6上，并放置在真空室I中；第一聚焦透镜10放置在真空室I内且与真空室I的第一石英窗口 12相对应；脉冲激光器4位于真空室I外部；脉冲激光器4发出脉冲激光，经第一石英窗口 12进入真空室1，经第一聚焦透镜10后聚焦于样品表面，烧蚀样品。所述LIBS测量系统用于形成并存储激光溅射靶材等离子体羽的LIBS光谱，包括:光纤光谱仪2、第二聚焦透镜16、光纤13、计算机15 ;所述第二聚焦透镜16放置在真空室I内且与真空室I的第二石英窗口 17相对应；所述光纤光谱仪2通过光纤13采集LIBS光谱；所述计算机15分别与脉冲激光器4、光纤光谱仪2线路连接；脉冲激光器4发出脉冲激光，经第一石英窗口 12进入真空室1，经第一聚焦透镜10聚焦于靶材表面，烧蚀靶材，形成等离子体羽8 ;第二聚焦透镜16将等离子体羽8发出的光聚焦于光纤13接受面；光纤13传输LIBS光谱；光纤光谱仪2采集LIBS光谱；计算机15调节脉冲激光器4和光纤光谱仪2的时序，储存LIBS光谱。所述石英晶体微天平测量系统用于测量材料总烧蚀量，包括:石英晶体膜厚监测仪3、振荡器5、石英晶体传感器9、 石英晶体18 ;石英晶体18固定于石英晶体传感器9上，并与电动二维平台6上的样品对应放置在真空室I中；通过可用于真空室的电缆将石英晶体传感器9与振荡器5连接；用BNC电缆将振荡器5与石英晶体膜厚监测仪3连接，所述石英晶体膜厚监测仪3与计算机15线路连接。石英晶体18收集激光溅射出的材料，石英晶体传感器9用于传输振荡器5给石英晶体18的电流，使石英晶体18高速振动，并将石英晶体18产生的电信号传输给振荡器5 ；振荡器5将电子信号送至石英晶体膜厚监测仪3 ;石英晶体膜厚监测仪3控制石英晶体传感器9，并记录膜厚的变化；用计算机15分析光纤光谱仪2传出的LIBS信号，得到激光烧蚀样品产生的各成分百分比信息；还用于得到石英晶体膜厚监测仪3传出的膜厚度信息，进一步得到样品的总烧蚀量信息；最终将二者的测量结果相结合，得出各成分的烧蚀率信息。其中，所述脉冲激光器4、第一石英窗口 12、第一聚焦透镜10在一条直线上。其中，所述第一石英窗口 12、第二石英窗口 17、真空规14安装在真空室I的法兰上。本技术的有益效果是:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量材料耐烧蚀特性的装置，其特征在于，所述一种测量材料耐烧蚀特性的装置包括：真空系统、激光烧蚀系统、LIBS测量系统、石英晶体微天平测量系统；所述真空系统包括：真空室（1）、真空泵组（11）、真空规（14）；真空泵组（11）和真空规（14）安装在真空室（1）外端；所述激光烧蚀系统包括：脉冲激光器（4）、电动二维平台（6）、样品夹具（7）、第一聚焦透镜（10）；待测样品放置于样品夹具（7）上，将样品夹具（7）固定于电动二维平台（6）上，并放置在真空室（1）中；第一聚焦透镜（10）放置在真空室（1）内且与真空室（1）的第一石英窗口（12）相对应；脉冲激光器（4）位于真空室（1）外部；所述LIBS测量系统包括：光纤光谱仪（2）、第二聚焦透镜（16）、光纤（13）、计算机（15）；所述第二聚焦透镜（16）放置在真空室（1）内且与真空室（1）的第二石英窗口（17）相对应；所述光纤光谱仪（2）通过光纤（13）采集LIBS光谱；所述计算机（15）分别与脉冲激光器（4）、光纤光谱仪（2）线路连接；所述石英晶体微天平测量系统包括：石英晶体膜厚监测仪（3）、振荡器（5）、石英晶体传感器（9）、石英晶体（18）；石英晶体（18）固定于石英晶体传感器（9）上，并与电动二维平台（6）上的样品对应放置在真空室（1）中；通过可用于真空室的电缆将石英晶体传感器（9）与振荡器（5）连接；用BNC电缆将振荡器（5）与石英晶体膜厚监测仪（3）连接，所述石英晶体膜厚监测仪（3）与计算机（15）线路连接。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：丁洪斌，李聪，吴兴伟，张辰飞，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：实用新型
国别省市：