[發明專利]基于粒子加速器材料輻照的高精度溫控裝置及其溫控方法

有效

• 申請號: 201710157231.7
• 申請日: 2017-03-16
• 公開（公告）號: CN107024946B
• 公開（公告）日: 2018-08-17
• 發明（設計）人: 楊吉軍;王龍;王佳恒;張偉;廖家莉;楊遠友;劉寧
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: G05D23/27
• 分類號: G05D23/27
• 代理公司: 成都科海專利事務有限責任公司 51202
• 代理人: 劉雙蘭

本發明涉及一種基于粒子加速器的材料輻照高精度溫控方法及其溫控裝置。該溫控裝置包括紅外測溫單元；電阻加熱單元；水冷和氣冷單元；信號控制/傳輸單元；樣品臺及其上輻照樣品等。樣品臺將電阻加熱、水冷及氣冷單元進行集成組合，對輻照樣品實現同步加熱與冷卻調控。利用本發明溫控裝置實現其溫控方法原理是：根據該裝置實時測量材料輻照溫度；經計算機程控系統連接的各指令信號傳輸線，控制電阻加熱絲功率、冷卻水和冷卻氣流量，自動同步調節電阻加熱單元、水冷與氣冷單元進行溫度調控。本發明所述的溫控裝置及其溫控方法，能夠實現對粒子加速器材料輻照溫度的實時、自動與精確控制，大幅度提高粒子加速器材料輻照的溫控精度。

技術領域

本發明屬于材料離子輻照研究與應用領域，具體涉及一種基于粒子加速器材料輻照的高精度溫度控制裝置及其溫度控制方法。

背景技術

能源危機與環境污染是當今世界面臨的兩大難題。開發可持續發展的、綠色清潔的核能是解決上述兩大難題的重要手段。在核能研發與應用中，核反應堆的結構與功能材料面臨著苛刻的輻照環境，因此抗輻照性能則成為了反應堆材料選用的關鍵評價指標。

考核反應堆材料的抗輻照性能主要包括兩類輻照方法：即反應堆中子輻照方法與基于粒子加速器離子輻照方法。相對于反應堆中子輻照方法，基于粒子加速器進行的離子輻照方法具有耗時短、成本低、輻照損傷程度可控等優點而被廣泛應用于材料抗輻照性能評價。

眾所周知，輻照溫度對材料輻照性能具有極為重要的影響，在材料離子輻照考核中，對輻照材料樣品的溫度控制要求十分嚴格，包括微小的溫度波動、快速的控溫響應等。目前，在粒子加速器材料輻照的溫控方面，大多裝置仍然采用單一電阻加熱方式的溫控系統，僅僅通過控制電阻加熱功率來實時調控輻照材料樣品的溫度。這種溫控方法的控溫精度較低、溫度波動大、調溫緩慢，尤其是對降溫過程沒有調控能力，因此難以滿足高精度控溫的要求。近年來，也有人開發設計了電阻加熱與水冷卻、電阻加熱與氣冷卻等組合方式的溫控系統，可以明顯地提高粒子加速器輻照材料的溫控性能。但是，這些方法的控溫精度仍有所欠缺，仍然不能滿意地達到粒子加速器材料輻照的精確溫控要求，有待進一步提高。另一方面，盡管在其它工業應用領域中的溫控技術已發展到了較高的水平，但是，無法將它們直接移植到基于粒子加速器的材料輻照溫控技術應用中。究其原因在于，利用粒子加速器進行材料的離子輻照實驗具備以下特點。例如，離子輻照僅發生在材料近表面區域納米至微米量級區域，因此輻照溫度不同于材料樣品整體溫度；其次，輻照離子本身具備能量，輻照過程中離子束將誘導材料樣品發生溫度波動等。基于這些特點，使得應用于其它行業領域的溫控裝置和方法均難以適用于基于粒子加速器材料輻照的溫度調控。

發明內容

本發明的目的就是針對以上所述材料離子輻照的技術特點與精確控溫要求，提供一種基于粒子加速器材料輻照的高精度溫度控制裝置及其溫度控制方法。該溫度控制裝置包括紅外測溫單元、電阻加熱單元、水冷卻單元和氣冷卻單元、樣品臺和其上的輻照材料樣品、信號控制/傳輸單元、以及計算機程控系統等；樣品臺將電阻加熱、水冷卻及氣冷卻單元進行集成組合，對輻照樣品實現同步的加熱與冷卻調控；通過該溫度控制裝置實現對粒子加速器材料輻照溫度的實時、自動與精確控制的方法。

為實現上述目的，本發明采用由以下技術措施構成的技術方案來實現的。

本發明所述一種基于粒子加速器材料輻照的高精度溫控方法，包括以下步驟：

(1)將樣品臺中高導熱金屬填滿銅傳熱臺上端面的圓形凹槽，并將輻照材料樣品用固定螺栓固定在銅傳熱臺上，確保輻照材料樣品與銅傳熱臺緊密接觸；

(2)之后將樣品臺安裝到離子輻照真空室端口并對真空室抽真空備用；在離子輻照過程中，通過紅外測溫通道緊密連接的紅外玻璃窗口和安裝在紅外玻璃窗口上的紅外熱成像儀直接測量得到輻照材料樣品的輻照溫度；隨后，將此輻照溫度數據通過輻照溫度數據傳輸線傳送給計算機程控系統，并將測量輻照溫度值與實驗預設溫度值作對比，預設溫度范圍為25℃～600℃，并自動選擇以下七種方案中的任一種進行處理：