一种辅助石英晶体微天平用于第一壁材料腐蚀研究的套筒制造技术

本发明专利技术公开了一种辅助石英晶体微天平用于第一壁材料腐蚀研究的套筒，包括有异内径金属圆筒，绝缘底座和高压电源，异内径金属圆筒嵌入绝缘底座后一起安装在探头表面，并利用高压电源在异内径金属圆筒上维持正偏压。套筒可以在石英晶体前方形成喇叭口结构使得石英晶体表面圆形镀膜区域在等离子体最外闭合磁面上的投影成为规则的近圆形，并减小中性粒子入射石英晶体圆形镀膜区域的通量，同时异内径金属圆筒上的正偏压可以有效阻止杂质离子的入射。本发明专利技术的有益效果包括使石英晶体圆形镀膜区域对其在等离子体最外闭合磁面上投影区域的平均固体角的计算简化并精确，延长石英晶体微天平的使用寿命，以及排除杂质沉积的干扰。以及排除杂质沉积的干扰。以及排除杂质沉积的干扰。

【技术实现步骤摘要】
一种辅助石英晶体微天平用于第一壁材料腐蚀研究的套筒


[0001]本专利技术属于高温等离子体诊断
，具体涉及一种辅助石英晶体微天平用于第一壁材料腐蚀研究的套筒。

技术介绍

[0002]近年来，对于托卡马克装置中磁阴影区中性粒子对面向等离子体材料(Plasma Facing Materials，PFMs)腐蚀的研究成为了热点，原因在于，在向未来商业聚变堆发展的过程中，一方面随着聚变功率的提高，中性粒子对PFMs的腐蚀速率将大大增加；另一方面，氚与杂质粒子易共沉积在没有等离子体直接接触的所谓磁阴影区，极大地影响整个装置的氚滞留速率，严重威胁装置的安全运行，而中性粒子可以通过主导磁阴影区的腐蚀沉积过程影响装置中氚滞留速率。
[0003]EAST通过发展低能中性粒子分析仪(Low Energy Neutral Particle Analyzer，LENPA)和石英晶体微天平系统(Quartz Crystal Microbalance，QMB)，在世界上率先开展了中性粒子产生以及对PFMs腐蚀机制的相关研究。其中，低能中性粒子分析仪可以测量磁阴影区的中性粒子能谱，包括中性粒子通量和能量，为中性粒子对PFMs腐蚀速率的理论计算提供必要数据，而QMB可以通过在其石英晶体表面镀膜的方式直接测量磁阴影区的PFMs的质量变化以反映其腐蚀沉积过程。
[0004]基于中性粒子能谱，中性粒子对QMB的石英晶体表面PFMs的理论腐蚀速率S计算公式如下，
[0005][0006]其中，A
s
，A/>p
分别为石英晶体上PFMs的镀膜面积以及在等离子体表面的投影面积，该投影面积也即近似的镀膜区域对应中性粒子发射面，为镀膜面积对投影面积的平均固体角，Y(E)是与入射粒子能量、种类以及靶材种类相关的溅射产额，dΓ(E)/dEdΩ为等离子体表面的中性粒子发射能谱。通过这个公式，可以将LENPA测得的中性粒子能谱转化为中性粒子对QMB上PFMs的理论腐蚀速率，并与QMB实际测得的实验腐蚀速率进行比较，将数值计算与实验测量紧密结合在一起。镀膜区域一般选择做成圆形，这样投影区域也是一个近圆形，以简化平均固体角的计算。
[0007]但是实施过程中，有以下几个问题需要解决。第一，托卡马克实验堆为了节约空间，观察窗口一般集成了不同的诊断系统，很多诊断需要在内真空室放置管道，这对QMB的测量会产生不利影响，导致QMB的石英晶体上圆形镀膜区域透过相邻诊断系统的管道在等离子体表面的投影区域的形状是不规则的，给平均固体角的计算带来了极大的困难和误差。其次，发现在长脉冲高参数等离子体放电条件下，QMB存在损坏的情况，这主要是由于温度对石英晶体的影响只在一定范围条件下可逆，当高能、高通量中性粒子持续入射石英晶体，即便在水冷系统工作条件下，温度也会持续升高，最终造成石英晶体失效。最后，整轮实验结束后，取出了石英晶体，通过扫描电子显微镜等技术对表面材料进行了表征，发现了钨
等沉积元素的存在，表明即便在距离限制器较远的磁阴影区也不乏杂质沉积，而杂质的沉积会给理论腐蚀速率的计算带来极大的误差。因此迫切需要一种可以解决以上问题的辅助结构来完善QMB在托卡马克装置中的应用。

技术实现思路

[0008]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种辅助石英晶体微天平用于第一壁材料腐蚀研究的套筒，其为一种结构简单、经济的QMB辅助结构，解决QMB在托卡马克装置上的应用过程中，QMB石英晶体上圆形镀膜区域与对应中性粒子发射面之间的平均固体角难计算，长脉冲高参数等离子体条件下QMB容易因为中性粒子通量过大导致石英晶体失效损坏，以及等离子体放电过程中杂质在石英晶体表面的沉积带来计算误差等问题。
[0009]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0010]一种辅助石英晶体微天平用于第一壁材料腐蚀研究的套筒，包括异内径金属圆筒，绝缘底座，高压电源，异内径金属圆筒的主要参数包括大内径d1，小内径d2以及高度h1，其侧面开有4个固定用的螺纹孔和一个接电源线的螺纹孔，绝缘底座类似一个同内径绝缘圆筒结构和一个异内径绝缘圆筒结构结合在一起，上方同内径绝缘圆筒结构侧面开有4个固定用通孔，可利用螺钉将异内径金属圆筒固定在绝缘底座上，下方异内径绝缘圆筒结构主要参数包括大内径d3，小内径d4以及高度h2。
[0011]进一步地，所述异内径金属圆筒的材料为钨或者钼。
[0012]进一步地，所述绝缘底座的材料为氮化硼。
[0013]进一步地，所述异内径金属圆筒的外径应略小于绝缘底座上方同内径绝缘圆筒结构的内径，以便异内径金属圆筒可以嵌入绝缘底座。
[0014]进一步地，所述绝缘底座下方异内径绝缘圆筒结构的小内径d4等于石英晶体表面圆形镀膜区域的直径。
[0015]进一步地，所述异内径金属圆筒的大内径d1、高度h1与绝缘底座的异内径绝缘圆筒结构的高度h2的比值d1/(h1+h2)决定了石英晶体上圆形镀膜面积在等离子体表面的投影面积的大小。
[0016]进一步地，所述石英晶体上圆形镀膜面积在等离子体表面的投影面积是最外闭合磁面上的部分区域，该区域出射的中性粒子可以入射石英晶体上圆形镀膜区域。
[0017]进一步地，可以通过减小异内径金属圆筒的大内径d1或者增大高度h1的方式来减小d1/(h1+h2)的值，以避开附近的管道对规则的投影区域形状的破坏。
[0018]进一步地，所述异内径金属圆筒的小内径d2与绝缘底座下方异内径绝缘圆筒结构的大内径d3相等，且(d1‑
d2)/h1与(d3‑
d4)/h2相等。
[0019]进一步地，所述高压电源通过用螺钉将电线一端的接线端子固定在异内径金属圆筒上，以维持异内径圆筒上的正偏压。
[0020]进一步地，所述正偏压的幅值为100V。
[0021]本专利技术的有益效果体现在：
[0022]本专利技术通过采用材质为溅射阈值高的钨或者钼的异内径金属圆筒，配合绝缘底座以及高压电源，首先可以通过调整结构参数避开可能存在的遮挡，实现石英晶体上镀膜区域在等离子体最外闭合磁面上的投影区域为规则的近圆形，这极大地提高了镀膜面积与投
影面积之间平均固体角的计算效率和准确率，其次为QMB加装套筒可以减小入射的中性粒子通量，降低温度升高的速率，提高了QMB工作的可靠性，最后，因为杂质元素的核外电子较多，很难中性化，一般带正电荷，通过给异内径金属圆筒加载正偏压，可以有效阻止杂质在石英晶体表面的沉积。这对于完善QMB在磁约束托卡马克装置内的应用具有重要的意义。
附图说明
[0023]图1为加装了本专利技术后，QMB在磁约束托卡马克装置中的应用示意图。
[0024]图2为本专利技术中套筒的结构示意图。
[0025]图3为异内径金属圆筒结构示意图。
[0026]图4为绝缘底座结构示意图。
[0027]其中，1.异内径金属圆筒；2.绝缘底座；3.探头；4.石英晶体；5.电极法兰；6.高压电源；7.LC振荡回路；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种辅助石英晶体微天平用于第一壁材料腐蚀研究的套筒，其特征在于，包括异内径金属圆筒，绝缘底座，高压电源；异内径金属圆筒的参数包括大内径d1，小内径d2以及高度h1，侧面开有4个固定用的螺纹孔和一个接电源线的螺纹孔，绝缘底座为一个同内径绝缘圆筒结构和一个异内径绝缘圆筒结构结合在一起，上方同内径绝缘圆筒结构侧面开有4个固定用通孔，利用螺钉将异内径金属圆筒固定在绝缘底座上，下方异内径绝缘圆筒结构的参数包括大内径d3，小内径d4以及高度h2。2.如权利要求1所述的一种辅助石英晶体微天平用于第一壁材料腐蚀研究的套筒，其特征在于，所述异内径金属圆筒的材料为钨或者钼。3.如权利要求1所述的一种辅助石英晶体微天平用于第一壁材料腐蚀研究的套筒，其特征在于，所述绝缘底座的材料为氮化硼。4.如权利要求1所述的一种辅助石英晶体微天平用于第一壁材料腐蚀研究的套筒，其特征在于，所述异内径金属圆筒的外径略小于绝缘底座上方同内径绝缘圆筒结构的内径，以便异内径金属圆筒嵌入绝缘底座并固定。5.如权利要求1所述的一种辅助石英晶体微天平用于第一壁材料腐蚀研究的套筒，其特征在于，所述绝缘底座下方异内径绝缘圆筒结构的小内径d4...

【专利技术属性】
技术研发人员：穆磊，刘牛先，丁锐，鄢容，刘玉明，陈俊凌，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：