一种高低温可控辐照靶室

技术领域

本发明属于离子束辐照实验装置，具体涉及一种可以覆盖液氮温度(-196摄氏度)到1500摄氏度温区的高低温可控辐照靶室。

背景技术

随着核技术以及空间探测技术的不断发展，对相关材料的要求也越来越多，材料的抗辐照性能直接影响着核技术以及空间探测技术的发展。为了模拟材料的实际工作场景，需要提供一个不同温度、不同辐照情况的实验条件，从而获得材料在不同温度以及不同辐照情况下的辐照损伤情况以及抗辐照能力。

目前的温度型辐照靶室大多集中在高温区，从500摄氏度到1200摄氏度，如中国专利申请CN201711006605.1“一种高温环境离子束辐照实验装置”、CN201620212874.8“温度可控的高温辐照靶室”和CN201310714957.8“旋转盘高温靶室系统”等，也有覆盖液氮温度(-190摄氏度)到600摄氏度的装置，如中国专利申请CN202121243493.3“一种高低温温控离子辐照靶”。大多数温度调节通过加热器的电功率调节，且在降温时只能通过其自身缓慢散热不能从高到低进行温度调节。在辐照功率较高时样品温度会逐渐升高而不能稳定的维持在实验的设定温度上。为此需要研发一种能够不受辐照功率影响并能够精确控温(-196摄氏度-1500摄氏度)的辐照靶室。

目前的辐照靶室的加热方式有辐射加热和接触加热两种，辐射加热能到达的温度低但可以进行束流实时测量，接触加热可以到达的温度高但不能进行实时束流测量，并且大多辐照靶室缺少准确的束流流强测量能力，因此需要研发一种能够进行接触加热并能够实时进行准确束流测量的辐照靶室。

发明内容

本发明的目的是针对现有温度型辐照靶室的温区调节范围窄、温度调节精度低、降温慢、不能实时准确测量流强等问题，提供一种高低温可控辐照靶室，使之具有-196摄氏度到1500摄氏度的宽温区调节范围，±1摄氏度的调节精度，能够快速降温或升温，具有电场抑制和实时测量样品上的束流流强的测量能力。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种高低温可控辐照靶室，靶室主体一端通过主体接口法兰与外法兰连接，另一端通过真空室接口法兰与真空室连接，其中，在所述外法兰上设置BNC贯穿件、热电偶贯穿件、真空航空插头，以及制冷加热控温系统导热液体接口；在靶室主体内设有导热板，导热板一侧设有样品固定台，导热板上设有加热元件以及导热液导槽，所述导热液导槽通过导热液体管道与所述制冷加热控温系统导热液体接口连接；在所述真空室接口法兰上设有连接板，所述连接板通过绝热陶瓷柱与陶瓷绝热板连接，所述陶瓷绝热板与所述导热板平行设置，所述连接板和陶瓷绝热板的中部设有供束流通过的通孔，在陶瓷绝热板上连接有电子抑制装置，用于抑制束流产生的二次电子。

进一步，如上所述的高低温可控辐照靶室，其中，在所述外法兰的周向安装有冷却水管，用于对外法兰进行冷却；在所述靶室主体的外周设有水冷套，用于对靶室主体进行冷却，所述水冷套为螺旋管结构，焊接固定在靶室主体的外周。

进一步，如上所述的高低温可控辐照靶室，其中，所述导热板包括导热板主体，导热板主体面向样品固定台的一侧安装所述加热元件，所述导热液导槽设置在导热板主体背向样品固定台的一侧，所述导热板主体通过绝热陶瓷杆与所述外法兰连接。

当所述加热元件采用普通电热丝时，在所述导热板主体与样品固定台之间设有立方氮化硼绝缘垫；

作为能够实现高温加热(1500摄氏度)的另一种实施方案，所述加热元件包括热解氮化硼板，在所述热解氮化硼板上涂覆石墨形成加热丝。

进一步，如上所述的高低温可控辐照靶室，其中，在所述导热板主体和样品固定台上分别安装有热电偶，用安装在两处的热电偶数据进行比对得到标定结果，用经过修订的导热板主体上的热电偶温度数据来标识样品的温度数据。

进一步，如上所述的高低温可控辐照靶室，其中，在所述样品固定台上安装样品并通过样品盖板进行固定，所述样品用于接受来自真空室方向的束流，并通过束测采集位将束流信号经过所述真空航空插头导出。

进一步，如上所述的高低温可控辐照靶室，其中，所述电子抑制装置包括相互套接在一起的抑制电极、地电极、绝缘陶瓷，所述绝缘陶瓷设置在所述抑制电极与地电极之间。

进一步，如上所述的高低温可控辐照靶室，其中，在所述连接板上连接有屏蔽罩。

进一步，如上所述的高低温可控辐照靶室，其中，在所述导热板的外侧周向设有热屏蔽层，用于减少导热板上的温度流失，所述热屏蔽层与所述陶瓷绝热板固定连接。

进一步，如上所述的高低温可控辐照靶室，其中，在所述主体接口法兰与外法兰之间，以及真空室接口法兰与真空室之间通过无氧铜密封圈进行密封。

进一步，如上所述的高低温可控辐照靶室，其中，在所述靶室主体上也设有BNC贯穿件和真空航空插头。

本发明的有益效果如下：本发明提供的高低温辐照靶室，通过导热液体和加热丝的双重作用可以实现-196摄氏度到1500摄氏度范围内的温度调节，并具有束流流强实时测量和准确测量的功能，从而达到宽温区控制和实时测量流强的目的。本发明能够实现温度和流强测量的自动化管理，能够满足用户对极端条件下的材料的辐照需求。

附图说明

图1为本发明具体实施例中高低温可控辐照靶室整体结构示意图；

图2为本发明具体实施例中高低温可控辐照靶室内部结构示意图；

图3为本发明具体实施例中高低温辐照靶室导热板和电子抑制装置示意图；

图4为本发明具体实施例中高低温辐照靶室导热板导热液导槽侧示意图；

图5为本发明具体实施例中高低温辐照靶室导热板加热丝侧示意图。

图中，1.外法兰冷却水管；2：BNC贯穿件；3.热电偶贯穿件；4.BNC贯穿件；5.真空航空插头；6.制冷加热控温系统导热液体接口；7.外法兰；8.靶室主体水冷套水管；9.靶室主体；10.BNC贯穿件；11.真空航空插头；12.真空室接口法兰；13.主体接口法兰；14.绝热陶瓷杆；15.水冷套；16.导热板；17.电子抑制装置；18.绝热陶瓷柱；19.导热液体管道；20.热屏蔽层；21.陶瓷绝热板；22.屏蔽罩；23.连接板。

16-1.导热板主体；16-2.立方氮化硼绝缘垫；16-3.样品固定台；16-4.束测采集位；16-5.热电偶安装位；16-6.样品盖板；16-7.导热液导槽；16-8.加热丝；17-1.抑制电极高压连接位；17-2.抑制电极；17-3.绝缘陶瓷；17-4.地电极。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种具有宽温区调节范围的辐照靶室，可以覆盖液氮温度(-196摄氏度)到1500摄氏度温区的可控调节。如图1所示，该高低温可控辐照靶室主要由靶室主体9和外法兰7等组成。外法兰7用于安装贯穿大气和真空的贯穿件，包括BNC贯穿件2、4、热电偶贯穿件3、真空航空插头5等。BNC贯穿件用于将功率引入靶室内用作加热元件的加热，热电偶贯穿件用于将热电偶测量的温度信号引出，真空航空插头用于束流流强信号的引出。外法兰7上还安装了制冷加热控温系统导热液体接口6，该接口与外法兰连接的部分进行了陶瓷热绝缘。制冷加热控温系统通过制冷加热控温系统导热液体接口6与靶室内部的导热液体管道19连接，导热液体管道19进一步连接至导热板16，导热液体管道19焊接在导热板16上。制冷加热控温系统可以控制导热液体管道19里面的导热液温度，通过更换里面的导热液可实现-100摄氏度到300摄氏度的温度控制，操作简单，最高可以实现±1摄氏度的精度控制，可以高精度控制辐照样品的辐照温度。在外法兰7上还安装有冷却水管1，所述冷却水管1呈盘管状，围绕外法兰7的周向设置，用于减少工作时外法兰上的发热。外法兰7与靶室主体接口法兰13相连接，外法兰上通过绝热陶瓷杆14与靶室内的导热板16进行连接，导热板16是高低温可控辐照靶室的核心部件，用于对样品传递热量或冷量。

如图2所示，靶室主体9由水冷套15、主体接口法兰13、真空室接口法兰12、BNC贯穿件10、真空航空插头11、导热板16、电子抑制装置17组成。靶室主体的一端通过主体接口法兰13与外法兰7相连接，使用无氧铜密封圈进行密封。靶室主体9的外围通过钎焊与水冷套15进行连接，水冷套15为了降低靶室主体的整体温度，水冷套15可以为螺旋管结构，盘绕并焊接固定在靶室主体9的外周。靶室主体9的另一端通过真空室接口法兰12与真空室进行连接，使用无氧铜密封圈进行密封。真空室用于提供高低温可控辐照靶室的真空并安装有真空监测设备。靶室主体通过真空室接口法兰连接有连接板23，连接板23上连接有屏蔽罩22，连接板23通过陶瓷绝热柱18与陶瓷绝热板21相连，屏蔽罩22用于保护陶瓷组件不受束流照射。所述连接板23和陶瓷绝热板21均与所述导热板16平行设置，所述连接板23和陶瓷绝热板21的中部设有供束流通过的通孔。在陶瓷绝热板21上连接有电子抑制装置17，电子抑制装置17用于抑制束流产生的二次电子，提高了束流测量的精度。陶瓷绝热板21上还连接有热屏蔽层20，热屏蔽层20围绕导热板外侧周向设置，热屏蔽层20用于减少导热板16上的温度流失。

作为具体的实施方式，真空室接口法兰12焊接在靶室主体9上，水冷套15焊接在靶室主体9上。连接板23通过螺钉连接在真空室接口法兰12上。连接板23通过螺钉与绝热陶瓷柱18连接。陶瓷绝热板21通过螺钉与绝热陶瓷柱18连接。热屏蔽层20通过螺钉与陶瓷绝热板21连接。电子抑制装置17通过螺钉与陶瓷绝热板21连接。

导热板16用于样品的热传导，包括降温和加热。导热板16通过绝热陶瓷杆14连接在外法兰7上。如图3所示，导热板16由导热板主体16-1、立方氮化硼绝缘垫16-2、样品固定台16-3、束测采集位16-4、热电偶安装位16-5、样品盖板16-6构成。具体来说，导热板主体16-1通过陶瓷绝热杆14与外法兰7连接，通过导热液体管道19输送入导热液。立方氮化硼绝缘垫16-2设置在导热板主体16-1与样品固定台16-3之间，用于隔绝样品的束流测量信号，并传递热量给样品固定台16-3。样品固定台16-3上安装样品并通过样品盖板16-6进行固定，最后使用螺钉和绝缘套安装到导热板主体16-1上。在样品固定台16-3上有用于连接束流测量信号的螺钉孔，束流测量螺钉安装在16-4束测采集位上，束流测量螺钉连接有信号线，信号线连接到真空航空插头上。样品固定台与样品有良好的电接触，当样品接受到束流时，束流流强信号通过样品固定台、束流测量螺钉、信号线、真空航空插头传递到真空室外。在导热板主体16-1上设有热电偶安装位16-5，用于安装热电偶，并通过将该位置的热电偶数据与样品固定台上的热电偶数据进行比对得到标定结果，用经过修订的导热板主体上的热电偶温度数据来标识样品的温度数据。

作为具体的实施方式，导热板主体16-1通过螺钉与样品固定台16-3、样品盖板16-6连接，其中螺钉与样品盖板16-6之间安装有绝缘陶瓷套。热电偶安装在热电偶安装位16-5上。

如图4所示，导热板主体背向样品固体台的一侧设有导热液导槽16-7，用于导热液在里面流动来控制样品的温度。本实施例中，导热液导槽16-7呈蛇形分布，导槽的进口和出口分别连接导热液体管道19，导热液体管道19连接至外法兰7上的制冷加热控温系统导热液体接口6。导热液可以是低温液体，用于对样品进行冷却，也可以是高温液体，用于对样品进行加热。低温液体可以采用液氮，高温液体可以采用硅油。当低温液体采用液氮，并配合加热丝可以实现-196摄氏度到-100摄氏度的温度调节。通过更换制冷加热控温系统的导热液可实现-100摄氏度到300摄氏度的温度控制。

如图5所示，导热板主体面向样品固体台的一侧安装有加热元件16-8，用于样品的加热。作为一种具体实施方式，加热元件可以采用普通电热丝，此时需在导热板主体16-1与样品固定台16-6之间设置立方氮化硼绝缘垫16-2进行绝缘，见图3所示。

为了能够实现1500摄氏度的高温加热，本发明提供了另一种具体实施方式，所述加热元件包括热解氮化硼板，在所述热解氮化硼板上涂覆石墨形成加热丝，通过电加热控制系统对石墨加热丝的功率进行控制，能将样品加热至1500摄氏度的高温。

如图3所示，电子抑制装置由抑制电极17-2、地电极17-4、绝缘陶瓷17-3构成，在抑制电极上设有高压连接位17-1。电子抑制装置连接在陶瓷绝热板21上，用于抑制束流产生的二次电子，能够更准确的测量束流流强，并可以做到实时测量束流流强。抑制电极17-2、地电极17-4和绝缘陶瓷17-3套设在一起，通过绝缘螺钉组合在一起，抑制电极高压连接位17-1用于连接高压线为电子抑制装置提供负高压，绝缘陶瓷17-3位于抑制电极17-2和地电极17-4之间，通过陶瓷绝缘套隔绝高压。导热板上的样品用于接收束流，并通过束流采集位将束流经过外法兰上的真空航空插头导出。

上述高低温辐照靶室通过远程控制导热液温度或加热元件温度进行辐照样品的温度调节，并可以实时观测束流流强。

在具体的实施方式中，针对上述结构的高低温可控辐照靶室，对样品的温度进行控制。当需要对样品进行降温时，将液氮杜瓦罐经过低温比例阀与制冷加热控温系统导热液体接口6相连，打开阀门，使液氮通过导热液体管道19进入导热板背面的导热液导槽16-7，液氮在导热板导槽中流动，为样品提供冷却降温。同时，通过对低温比例阀和加热丝加热功率使用计算机程序进行综合控制，能够实现样品从液氮温度逐渐升温的过程。使用热电偶进行实时监控可以精确的调整所需辐照样品的温度。

当需要对样品进行加热时，可以将导热液更换为导热油，在300摄氏度内采用导热油方式进行加热，当温度高于300摄氏度时，通过电磁阀和压缩空气自动将导热油吹回控温系统中，开启加热丝加热可以实现温度从300摄氏度到1500摄氏度内调节。

通过制冷加热控温系统中导热液与加热丝的综合控制，就可以实现辐照样品在-196摄氏度到1500摄氏度的温度控制。具体来说，可以实现如下三个温区的可控调节：

温区一：-196摄氏度到-100摄氏度，将液氮杜瓦罐连接导热液体接口，液氮通过导热液体管道进入导热板背面的导热液导槽，直接作用在导热板上，配合使用加热丝可以实现该温区下的温度调节。

温区二：-100摄氏度到300摄氏度，采用制冷加热控温系统连接导热液体接口，直接作用在导热板上，通过使用不同的导热油，来实现不同区间的温度控制。(可用到两种导热油，一种-100摄氏度到-40摄氏度，一种-40摄氏度到300摄氏度)。

温区三:300摄氏度到1500摄氏度，采用加热丝加热，加热丝可采用普通加热丝和高温石墨加热丝，普通加热丝可将温度加热至1000摄氏度左右，高温石墨加热丝最高可将温度加热至1500摄氏度左右。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。这样，倘若对本发明的这些变型、用途适应性变化属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改变型和用途适应性变化在内。

上述实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的保护范围应由权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的保护范围内。