基于粒子加速器材料辐照的高精度温控装置及其温控方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于粒子加速器的材料辐照高精度温控方法及其温控装置。该温控装置包括红外测温单元；电阻加热单元；水冷和气冷单元；信号控制/传输单元；样品台及其上辐照样品等。样品台将电阻加热、水冷及气冷单元进行集成组合，对辐照样品实现同步加热与冷却调控。利用本发明专利技术温控装置实现其温控方法原理是：根据该装置实时测量材料辐照温度；经计算机程控系统连接的各指令信号传输线，控制电阻加热丝功率、冷却水和冷却气流量，自动同步调节电阻加热单元、水冷与气冷单元进行温度调控。本发明专利技术所述的温控装置及其温控方法，能够实现对粒子加速器材料辐照温度的实时、自动与精确控制，大幅度提高粒子加速器材料辐照的温控精度。

【技术实现步骤摘要】
基于粒子加速器材料辐照的高精度温控装置及其温控方法
本专利技术属于材料离子辐照研究与应用领域，具体涉及一种基于粒子加速器材料辐照的高精度温度控制装置及其温度控制方法。
技术介绍
能源危机与环境污染是当今世界面临的两大难题。开发可持续发展的、绿色清洁的核能是解决上述两大难题的重要手段。在核能研发与应用中，核反应堆的结构与功能材料面临着苛刻的辐照环境，因此抗辐照性能则成为了反应堆材料选用的关键评价指标。考核反应堆材料的抗辐照性能主要包括两类辐照方法：即反应堆中子辐照方法与基于粒子加速器离子辐照方法。相对于反应堆中子辐照方法，基于粒子加速器进行的离子辐照方法具有耗时短、成本低、辐照损伤程度可控等优点而被广泛应用于材料抗辐照性能评价。众所周知，辐照温度对材料辐照性能具有极为重要的影响，在材料离子辐照考核中，对辐照材料样品的温度控制要求十分严格，包括微小的温度波动、快速的控温响应等。目前，在粒子加速器材料辐照的温控方面，大多装置仍然采用单一电阻加热方式的温控系统，仅仅通过控制电阻加热功率来实时调控辐照材料样品的温度。这种温控方法的控温精度较低、温度波动大、调温缓慢，尤其是对降温过程没有调控能力，因此难以满足高精度控温的要求。近年来，也有人开发设计了电阻加热与水冷却、电阻加热与气冷却等组合方式的温控系统，可以明显地提高粒子加速器辐照材料的温控性能。但是，这些方法的控温精度仍有所欠缺，仍然不能满意地达到粒子加速器材料辐照的精确温控要求，有待进一步提高。另一方面，尽管在其它工业应用领域中的温控技术已发展到了较高的水平，但是，无法将它们直接移植到基于粒子加速器的材料辐照温控技术应用中。究其原因在于，利用粒子加速器进行材料的离子辐照实验具备以下特点。例如，离子辐照仅发生在材料近表面区域纳米至微米量级区域，因此辐照温度不同于材料样品整体温度；其次，辐照离子本身具备能量，辐照过程中离子束将诱导材料样品发生温度波动等。基于这些特点，使得应用于其它行业领域的温控装置和方法均难以适用于基于粒子加速器材料辐照的温度调控。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对以上所述材料离子辐照的技术特点与精确控温要求，提供一种基于粒子加速器材料辐照的高精度温度控制装置及其温度控制方法。该温度控制装置包括红外测温单元、电阻加热单元、水冷却单元和气冷却单元、样品台和其上的辐照材料样品、信号控制/传输单元、以及计算机程控系统等；样品台将电阻加热、水冷却及气冷却单元进行集成组合，对辐照样品实现同步的加热与冷却调控；通过该温度控制装置实现对粒子加速器材料辐照温度的实时、自动与精确控制的方法。为实现上述目的，本专利技术采用由以下技术措施构成的技术方案来实现的。本专利技术所述一种基于粒子加速器材料辐照的高精度温控方法，包括以下步骤：(1)将样品台中高导热金属填满铜传热台上端面的圆形凹槽，并将辐照材料样品用固定螺栓固定在铜传热台上，确保辐照材料样品与铜传热台紧密接触；(2)之后将样品台安装到离子辐照真空室端口并对真空室抽真空备用；在离子辐照过程中，通过红外测温通道紧密连接的红外玻璃窗口和安装在红外玻璃窗口上的红外热成像仪直接测量得到辐照材料样品的辐照温度；随后，将此辐照温度数据通过辐照温度数据传输线传送给计算机程控系统，并将测量辐照温度值与实验预设温度值作对比，预设温度范围为25℃～600℃，并自动选择以下七种方案中的任一种进行处理：(A)当辐照温度值高于预设值50℃及以上范围时，此时降低电阻加热功率、增加冷却水流量与冷却气流量；(B)当辐照温度值高于预设值10℃～50℃范围内时，此时仅增加冷却水流量与冷却气流量；(C)当辐照温度值高于预设值5℃～10℃范围内时，此时仅增加冷却气流量；(D)当辐照温度值低于预设值50℃及以上范围时，此时增加电阻加热功率、降低冷却水流量与冷却气流量；(E)当辐照温度值低于预设值10℃～50℃范围内时，此时仅降低冷却水流量与冷却气流量；(F)当辐照温度值低于预设值5℃～10℃范围内时，此时仅降低冷却气流量；(G)当辐照温度值与预设值的差异在±5℃范围内时，此时不改变电阻加热功率、冷却水流量与冷却气流量；(3)在选择了上述任一种方案处理后，计算机程控系统便分别通过电阻加热功率指令信号传输线、冷却水流量指令信号传输线、冷却气流量指令信号传输线向电阻功率调控器、带有流量控制计的冷水机、带有流量控制计的高压气瓶发送其指令信号；同步调控电阻加热功率、冷却水流量、冷却气流量，从而实现对辐照材料样品的精确控温调控；(4)最后，在辐照材料样品温度稳定后，再次不断循环重复上述测温与控温过程，由此可以实现对粒子加速器材料辐照温度的实时、自动与精确控制。本专利技术依据上述所述一种基于粒子加速器材料辐照的高精度温控方法，提供一种实现该方法的温度装置，包括离子辐照真空室、加速器离子束管道、辐照离子束流、红外测温通道；红外测温单元、电阻加热单元、水冷却单元、气冷却单元、信号控制/传输单元、样品台和其上的辐照材料样品；在辐照离子束流终端的离子辐照真空室端口布置红外测温通道与样品台安装端口；所述红外测温单元包括与红外测温通道紧密连接的红外玻璃窗口和安装在红外玻璃窗口上的红外热成像仪；即红外玻璃窗口用于隔离离子辐照真空室与红外热成像仪；红外热成像仪通过辐照温度数据传输线与计算机程控系统连接；所述电阻加热单元包括电阻功率调控器、样品台内的电阻加热丝、电流输入线和电流输出线；电阻功率调控器一端连接样品台内的电流输入线和电流输出线，另一端通过电阻加热功率指令信号传输线与计算机程控系统连接；所述水冷却单元包括带有流量控制计的冷水机、水流环形冷却管道、进水管道和出水管道；带有流量控制计冷水机一端连接样品台内进水管道和出水管道；其另一端通过冷却水流量指令信号传输线连接计算机程控系统；所述带有流量控制计冷水机通过进水管道将冷却水输入水流环形冷却管道，再经出水管道回到带有流量控制计的冷水机进行循环；所述气冷却单元包括带有流量控制计的高压气瓶、气流环形冷却管道、进气管道和出气管道；带有流量控制计的高压气瓶一端连接样品台上的进气管道；样品台上的出气管道与大气相通；带有流量控制计的高压气瓶另一端通过冷却气流量指令信号传输线连接计算机程控系统；带有流量控制计的高压气瓶通过进气管道将冷却气体输入气流环形冷却管道，再通过出气管道排放到大气环境中；所述信号控制/传输单元包括计算机程控系统，其通过连接的辐照温度数据传输线，以获得红外热成像仪测量的辐照材料样品的辐照温度；通过连接的电阻加热功率指令信号传输线、冷却水流量指令信号传输线、冷却气流量指令信号传输线分别向电阻功率调控器，带有流量控制计的冷水机，带有流量控制计的高压气瓶发送指令信号；用于控制电阻加热功率、冷却水流量和冷却气流量。上述技术方案中，所述样品台包括样品台不锈钢筒体、铜传热台及其上端面的圆形凹槽、圆形凹槽内的高导热金属，及固定辐照材料样品在铜传热台上的固定螺栓。上述技术方案中，所述样品台不锈钢筒体上端设置为封闭的中空圆柱形不锈钢圆筒，其内布置电阻加丝，电流输入线和电流输出线；布置进水管道与出水管道、进水口与出水口、水流环形冷却管道；布置进气管道与出气管道；样品台不锈钢筒体安装在离子辐照真空室的端口；并与离子辐照真空室壁紧密结合，保持真空隔离。上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于粒子加速器材料辐照的高精度温控方法，包括以下步骤：(1)将样品台中高导热金属填满铜传热台上的圆形凹槽，并将辐照材料样品用固定螺栓进行固定，确保辐照材料样品与铜传热台紧密接触；(2)之后将样品台安装在离子辐照真空室端口对真空室抽真空备用；在离子辐照过程中，通过红外热成像仪直接测量得到辐照材料样品的辐照温度；将此辐照温度数据通过辐照温度数据传输线传送给计算机程控系统，并将测量辐照温度值与实验预设温度值作对比，其预设温度范围为25℃～600℃，并自动选择以下七种方案中的任一种进行处理：(A)当辐照温度值高于预设值50℃及以上范围时，此时降低电阻加热功率、增加冷却水流量与冷却气流量；(B)当辐照温度值高于预设值10℃～50℃范围内时，此时仅增加冷却水流量与冷却气流量；(C)当辐照温度值高于预设值5℃～10℃范围内时，此时仅增加冷却气流量；(D)当辐照温度值低于预设值50℃及以上范围时，此时增加电阻加热功率、降低冷却水流量与冷却气流量；(E)当辐照温度值低于预设值10℃～50℃范围内时，此时仅降低冷却水流量与冷却气流量；(F)当辐照温度值低于预设值5℃～10℃范围内时，此时仅降低冷却气流量；(G)当辐照温度值与预设值的差异在±5℃范围内时，此时不改变电阻加热功率、冷却水流量与冷却气流量；(3)在选择了上述任一种方案处理后，计算机程控系统分别经电阻加热功率指令信号传输线、冷却水流量指令信号传输线、冷却气流量指令信号传输线向电阻功率调控器、带有流量控制计的冷水机、带有流量控制计的高压气瓶发送指令信号；同步调控电阻加热功率、冷却水流量、冷却气流量，以实现对辐照材料样品的精确控温调控；(4)最后，在辐照材料样品温度稳定后，再次循环重复上述测温与控温过程，由此实现对粒子加速器材料辐照温度的实时、自动与精确控制。...

【技术特征摘要】
1.一种基于粒子加速器材料辐照的高精度温控方法，包括以下步骤：(1)将样品台中高导热金属填满铜传热台上的圆形凹槽，并将辐照材料样品用固定螺栓进行固定，确保辐照材料样品与铜传热台紧密接触；(2)之后将样品台安装在离子辐照真空室端口对真空室抽真空备用；在离子辐照过程中，通过红外热成像仪直接测量得到辐照材料样品的辐照温度；将此辐照温度数据通过辐照温度数据传输线传送给计算机程控系统，并将测量辐照温度值与实验预设温度值作对比，其预设温度范围为25℃～600℃，并自动选择以下七种方案中的任一种进行处理：(A)当辐照温度值高于预设值50℃及以上范围时，此时降低电阻加热功率、增加冷却水流量与冷却气流量；(B)当辐照温度值高于预设值10℃～50℃范围内时，此时仅增加冷却水流量与冷却气流量；(C)当辐照温度值高于预设值5℃～10℃范围内时，此时仅增加冷却气流量；(D)当辐照温度值低于预设值50℃及以上范围时，此时增加电阻加热功率、降低冷却水流量与冷却气流量；(E)当辐照温度值低于预设值10℃～50℃范围内时，此时仅降低冷却水流量与冷却气流量；(F)当辐照温度值低于预设值5℃～10℃范围内时，此时仅降低冷却气流量；(G)当辐照温度值与预设值的差异在±5℃范围内时，此时不改变电阻加热功率、冷却水流量与冷却气流量；(3)在选择了上述任一种方案处理后，计算机程控系统分别经电阻加热功率指令信号传输线、冷却水流量指令信号传输线、冷却气流量指令信号传输线向电阻功率调控器、带有流量控制计的冷水机、带有流量控制计的高压气瓶发送指令信号；同步调控电阻加热功率、冷却水流量、冷却气流量，以实现对辐照材料样品的精确控温调控；(4)最后，在辐照材料样品温度稳定后，再次循环重复上述测温与控温过程，由此实现对粒子加速器材料辐照温度的实时、自动与精确控制。2.一种实现权利要求1所述基于粒子加速器材料辐照的高精度温控方法提供的高精度温控装置，其特征在于包括离子辐照真空室(1)、加速器离子束管道(2)、辐照离子束流(3)、红外测温通道(4)；红外测温单元、电阻加热单元、水冷却单元、气冷却单元、信号控制/传输单元、样品台(16)及其上辐照材料样品(17)；在辐照离子束流(3)终端离子辐照真空室(1)端口布置红外测温通道(4)与样品台(16)安装端口；所述红外测温单元包括与红外测温通道(4)紧密连接的红外玻璃窗口(5)和安装在红外玻璃窗口的红外热成像仪(6)；红外热成像仪经辐照温度数据传输线(19)连接计算机程控系统(18)；所述电阻加热单元包括电阻功率调控器(7)、样品台内的电阻加热丝(28)、电流输入线(8)和电流输出线(9)；电阻功率调控器(7)一端连接样品台内的电流输入线和电流输出线，另一端通过电阻加热功率指令信号传输线(20)与计算机程控系统(18)连接；所述水冷却单元包括带有流量控制计的冷水机(10)、水流环形冷却管道(29)、进水管道(11)和出水管道(12)；带有流量控制计的冷水机一端连接样品台(16)上进水管道(11)和出水管道(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨吉军，王龙，王佳恒，张伟，廖家莉，杨远友，刘宁，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51