一种用于超导腔内表面化学抛光的封闭式循环系统的制作方法

一种用于超导腔内表面化学抛光的封闭式循环系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种用于超导腔内表面化学抛光的封闭式循环系统，该系统包括：酸液循环回路，包括与超导腔两端分别相连形成封闭式循环回路的酸液箱，该酸液箱中容纳有通过第一泵在酸液循环回路中进行循环的酸液；冷却水循环回路，包括冰水箱，该冰水箱中容纳有通过第二泵在冷却水循环回路中进行循环的用于冷却酸液和超导腔外表面的冰水；洁净水冲洗管路，包括与超导腔下端相连的净水箱，以及与超导腔上端相连的废水回收箱，该净水箱中容纳有通过第三泵在洁净水冲洗管路中从净水箱流向废水回收箱的洁净水；废液回收管路，包括与超导腔两端分别相连的废液回收箱。本实用新型提高了操作安全性，易于控制酸液温度，改善了抛光效果，保证了产品质量。
【专利说明】-种用于超导腔内表面化学抛光的封闭式循环系统

【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种用于超导腔内表面化学抛光的封闭式循环系统。

【背景技术】
[0002] 超导高频铌腔具有加速梯度高、腔耗小、性能高的特点而被广泛地应用于各种大 型粒子加速器中，其表面特性直接影响到粒子加速腔的性能，洁净平滑的超导腔内表面是 保证超导腔在粒子加速器中长期稳定运行的先决条件。超导铌腔在机械制造加工中，即铌 板深冲压、修边以及电子束焊接过程中，表面均会受到不同程度的创伤，如裂纹、划痕、溅射 物等，并在表面形成约有100 μ m厚的损坏层；同时会引入外界杂质颗粒吸附着在金属表 面。该表面缺陷或杂质颗粒在高电磁场下会引起二次电子倍增、场致发射及热崩溃等破坏 机制，严重影响了超导腔的性能。为保证超导腔内表面的超导性、良好的热传导性及腔内电 磁场的均匀分布，需对腔内表面进行表面处理，以获得洁净平滑的表面。缓冲化学抛光是一 种常见有效的超导腔表面处理方式，目前常用的方法包括灌液酸洗和槽酸洗。
[0003] 传统的灌液酸洗是指将超导腔一端用法兰密封，另一端敞口；将超导腔坚直放置， 往超导腔内灌满酸液，从而对超导腔内表面进行化学蚀刻，由于内壁金属化学反应生成的 氧化物及生成的氢气附着在金属表面上会抑制进一步化学反应，从而需要对酸液进行手动 搅拌，但由于化学反应的持续进行，会使得反应放热并加快反应过程，导致酸液温度升高过 快，由于无法对酸液进行温度控制从而引起酸液沸腾飞溅，对于操作人员较为危险，同时由 于激烈的化学反应导致超导腔内表面金属晶粒严重蚀刻过度，从而影响了超导腔的性能； 另外对于大体积超导腔（总长度约2. 2m ;中间腔胞赤道直径约为0. 5m的超导腔）来说，该 方法明显不适用。
[0004] 传统的槽酸洗法是指将整个超导腔放入盛满酸液的酸槽内进行化学蚀刻的方法， 该方法不仅对超导腔内表面进行化学蚀刻，同时也对超导腔外表面进行了化学蚀刻，而超 导腔的性能只与超导腔内表面的处理状态有关，该方法增加了超导腔壁厚度的减少，对于 小体积超导腔来说可以适当采用，但对于大体积超导腔（总长度约2. 2m ;腔胞赤道直径约 为〇. 5m的超导腔）来说，酸槽的容积和酸液量也大大提高，这也同时对操作人员增加了危 险系数，另外，也同时存在类似于传统灌液酸洗法的不足之处；同时在超导腔化学蚀刻完 毕后需立即对超导腔内表面进行水冲洗，否则超导腔内壁上残留的酸液会严重蚀刻金属晶 粒，导致超导腔性能下降，而传统的灌液酸洗和槽酸洗法无法做到这一点。
[0005] 可见，由于超导铌腔的化学抛光表面处理方式涉及到大量腐蚀性酸液（硝酸、磷 酸和氢氟酸的混合酸液）及有害气体（一氧化氮、二氧化氮、氟化氢），同时对于大型超导铌 腔，由于其体积及抛光面积较大，所使用到的酸液量多及反应产生的热量多，传统的灌液酸 洗及槽酸洗的技术方案实施危险、酸液温度控制很难、且化学抛光效果严重不足，故均不再 适合大型超导腔体的化学表面处理。 实用新型内容
[0006] 本实用新型的目的在于提供一种用于超导腔内表面化学抛光的封闭式循环系统， 提高操作安全性，改善抛光效果，保证产品质量，适用于大型超导腔的化学表面处理。
[0007] 为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
[0008] -种用于超导腔内表面化学抛光的封闭式循环系统，所述超导腔坚直设置，所述 系统包括：酸液循环回路，包括与超导腔两端分别相连形成封闭式循环回路的酸液箱，该酸 液箱中容纳有通过第一泵在所述酸液循环回路中进行循环的酸液；冷却水循环回路，包括 冰水箱，该冰水箱中容纳有通过第二泵在所述冷却水循环回路中进行循环的用于冷却酸液 和超导腔外表面的冰水；洁净水冲洗管路，包括与超导腔下端相连的净水箱，以及与超导腔 上端相连的废水回收箱，该净水箱中容纳有通过第三泵在所述洁净水冲洗管路中从净水箱 流向废水回收箱的洁净水；废液回收管路，包括与超导腔两端分别相连的废液回收箱。
[0009] 所述的用于超导腔内表面化学抛光的封闭式循环系统，进一步包括，设于所述第 一泵与所述超导腔下端之间的过滤膜装置。
[0010] 所述的用于超导腔内表面化学抛光的封闭式循环系统，进一步包括，通过阀门连 通所述过滤膜装置两端的旁路。
[0011] 所述净水箱的顶部分别设有自来水入口和超纯水入口。
[0012] 所述酸液箱的顶部设有废气排放口。
[0013] 所述酸液箱、冰水箱、净水箱、废液回收箱和废水回收箱均由聚氯乙烯制成。
[0014] 所述的用于超导腔内表面化学抛光的封闭式循环系统，进一步包括，由聚氯乙烯 制成的液体管道。
[0015] 所述的用于超导腔内表面化学抛光的封闭式循环系统，进一步包括，覆有聚乙烯 保护层的空气管道和电路管道。
[0016] 所述超导腔两端分别通过聚氯乙烯法兰和氟胶垫圈密封连接。
[0017] 所述的用于超导腔内表面化学抛光的封闭式循环系统整体设置于一手推车上。
[0018] 本实用新型的用于超导腔内表面化学抛光的封闭式循环系统，采用封闭式酸液循 环回路，避免在化学蚀刻过程中操作人员与酸液直接接触，保证了操作人员的人身安全，酸 液循环的同时起到酸液搅拌作用，通过冷却水循环回路对酸液进行冷却，易于控制酸液温 度，通过洁净水冲洗管路在酸洗后立刻进行水洗，改善了抛光效果，保证了产品质量，适用 于大型超导腔的化学表面处理。

【专利附图】

【附图说明】
[0019] 图1为本实用新型的用于超导腔内表面化学抛光的封闭式循环系统的示意图，其 中：
[0020] 1.酸液箱，2.冰水箱，3.净水箱，4.废水回收箱，5.废液回收箱，6.过滤膜装置， 7.超导腔，8.喷淋龙头，9.耐酸泵，10.水泵，11.水泵，12?31.阀门。
[0021] -酸液循环回路
[0022] -------------冷却水循环回路
[0023] --------洁净水冲洗管路
[0024] _废液回收管路

【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图详细说明本实用新型的特点。
[0026] 图1示出本实用新型的用于超导腔内表面化学抛光的封闭式循环系统，其包括酸 液循环回路、冷却水循环回路、洁净水冲洗管路和废液回收管路。
[0027] 其中，酸液循环回路包括与坚直设置的超导腔两端71、72通过管道分别相连的酸 液箱1，酸液箱1中存放配制好的混合酸液，酸液箱1底部有一管道经箱外的耐酸泵9从超 导腔下端72进入腔内，并从超导腔上端71重新回到酸液箱1顶部，由此实现酸液循环以用 于化学抛光超导腔内表面。耐酸泵9与超导腔下端72之间设有过滤膜装置6,以此将抛光 反应过程中的产物杂质隔离，保证经过滤网流到腔体的酸液的清洁度。由阀门13控制的旁 路131连通过滤膜装置6的两端，循环之前打开阀门13可避免压力过大损坏过滤膜，起到 分压的作用，待循环稳定后可慢慢关闭阀门13。酸液箱1的顶部设有废气排放口 101，通过 连接有活性碳过滤装置的废气排放管连通于外部高空，化学抛光过程中所产生的有害气体 经过滤后排放到空气中。
[0028] 冷却水循环回路包括冰水箱2,冰水箱2的顶部设有由阀门32控制的冷却水入口， 注入冷却水后放入冰块以形成用于冷却的冰水。一路管道由冰水箱2出发经过箱外的水泵 10从酸液箱1下部进入，围绕酸液箱外侧呈S型弯转回旋上升，最后再由酸液箱1上部流出 并回到冰水箱，对酸液箱1内的酸液起到了冷却作用；同时从水泵10后有一分支管路与位 于超导腔上端71外部的喷淋龙头8相接，用于超导腔外表面的喷淋冷却。
[0029] 洁净水冲洗管路包括与超导腔下端72相连的净水箱3,以及与超导腔上端71相连 的废水回收箱4。净水箱3的顶部分别设有由阀门30控制的自来水入口和由阀门31控制 的超纯水入口，从而根据需要选择注入自来水或者超纯水以用于冲洗腔体。净水箱3底部 有一路管道经箱外的水泵11从超导腔下端72进入腔内，并从超导腔上端71出来后进入废 水回收箱4,以此回收冲洗腔体后所产生的废水。
[0030] 废液回收管路包括与超导腔两端71、72分别相连的废液回收箱5,以此回收残留 在腔体内和管路中的酸液。
[0031] 此外，各箱体底部分别设有由阀门25、26、27、28、29控制的液体排放口，以便在使 用后对其中的液体进行排放或回收。
[0032] 为保证整个循环系统的化学稳定性，其中所有箱体和液体管道由聚氯乙烯（PVC) 制成，空气管道和电路管道均覆盖有聚乙烯（PE)保护层。超导腔7两端71、72通过聚氯乙 烯法兰及氟胶垫圈用螺钉拧紧的方式实现腔体与管路的密封连接。
[0033] 本实用新型的工作原理如下：
[0034] (1)将超导腔7坚直安装于固定支架上，检查并关闭循环系统中的所有阀门，将酸 液箱1顶部的废气排放管放置高空；
[0035] (2)打开阀门30将净水箱3注满自来水后关闭；打开阀门32将冰水箱2注满自 来水后关闭，并在冰水箱2中放入大量冰块，开启水泵10进行冰水循环以用于冷却酸液；
[0036] (3)在酸液箱1内分别倒入磷酸、硝酸和氢氟酸配制混合用于抛光的酸液，并将盖 板压紧密封；
[0037] (4)打开阀门24对超导腔外表面进行冷水喷淋，并开启阀门32对冰水箱2进行供 水；
[0038] (5)待酸液冷却至15-20°C后，打开阀门12、13、14、15、16、17和18,开启耐酸泵9， 将酸液箱1内的酸液从超导腔下端72打入，开始进行腔体内表面的化学抛光；当看见连接 超导腔上端71的管道内有液体流动时，表示腔内已充满酸液，此时关闭阀门13,使循环酸 液全部通过过滤膜装置6 ;
[0039] (6)当抛光过程进行到预定时间后，关闭耐酸泵9,关闭阀门12 ;并打开阀门21、 22和23,使腔内的酸液利用自重回流至废液回收箱5内；回收完成后关闭阀门14、18、21和 23 ；
[0040] (7)打开阀门20,开启水泵11，然后缓慢打开阀门19,对超导腔内表面进行自来水 冲洗，同时打开阀门30以进行供水；
[0041] (8)自来水冲洗到预定时间后，关闭阀门30并打开阀门31，将超纯水注入净水箱 3,对超导腔内表面进行超纯水冲洗；
[0042] (9)冲洗完毕后，关闭阀门31，关闭水泵11，并依次关闭阀门16、15、19、17和20 ;
[0043] (10)打开阀门12、13、14和21，开启耐酸泵9,将酸液箱1内的酸液打入到废液回 收箱5内，完成后关闭耐酸泵9,并依次关闭阀门21、12、13、14和22;准备好？￥(：化工桶，打 开阀门29,将废液回收箱5内的酸液分装至PVC化工桶内；完成后关闭阀门29 ;打开阀门 25,将酸液箱1内残存的酸液回收至化工桶内，完成后关闭阀门25 ;该操作完成废液的回收 工作；
[0044] (11)打开阀门12和14,开启水泵11，并缓慢打开阀门19,冲洗管道里的酸液到酸 液箱1内；完成后关闭阀门12、14和19 ;打开阀门21、23和18,并缓慢打开阀门19,冲洗管 道里的酸液到酸液箱1内；完成后关闭阀门19、21、23和18 ;打开阀门21和22,并缓慢打 开阀门19,冲洗管道里的酸液到废液回收箱5内；完成后关闭阀门19、21和22,并关闭水泵 11 ;准备好PVC化工桶，打开阀门29,将废液回收箱5内的酸水分装至化工桶内；完成后关 闭阀门29 ;打开阀门25,将酸液箱1内的酸水回收至PVC化工桶内，完成后关闭阀门25 ;废 水回收箱4内的酸水可用碳酸钙中和后直接排放；该操作完成了系统内各路管道的清洗工 作及废酸水的回收工作；
[0045] (12)关闭水泵10和阀门24、32,关闭循环系统电源，将超导腔7从固定支架上拆 卸下来，完成所有操作。
[0046] 与传统灌液酸洗和槽酸洗相比，本实用新型的循环系统的优点主要体现在：一、该 系统采用酸液封闭式循环流动，在化学蚀刻过程中，酸液都是在管道内循环流动，操作人员 不会与酸液有直接接触，保证了操作人员的人身安全；二、酸液在循环流动之前可预先被冷 却至15_20°C ;酸液在循环流动过程中也同时在酸液箱内进行冷却，超导腔外表面也同时进 行喷水冷却，酸液温度得到了较好的控制（通常不超过30°C即可），避免了酸液与金属的 激烈反应；三、酸液在超导腔内的循环流动同时也起到了酸液搅拌的作用，通过酸液的循环 流动可将内壁金属反应生成的氧化物及附着的氢气带走，从而保证了反应的持续进行；四、 通过对循环酸液的过滤可避免反应生成的金属氧化物及其它杂质颗粒再次进行到超导腔 内，若该金属氧化物及杂质颗粒附着在超导腔内壁上会严重影响超导腔的性能；五、当化学 蚀刻完毕后，可将超导腔内的酸液及时排空并无需移动腔体可立即进行水冲洗，该时间间 隔极短，避免了超导腔内壁金属晶粒与残留酸液的进一步蚀刻；六、该系统集成了各种功能 (酸洗循环、酸液冷却循环、洁净水冲洗循环、酸液过滤、腔体外部喷淋冷却、废气排放及废 液回收），并可将各种设备（酸液箱、冰水箱、净水箱、废水回收箱、废液回收箱、各种泵及管 路、电路控制箱等）安放于一手推车上，实现了装置的可移动性。
[0047] 前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本 实用新型。对该较佳实施例，本领域内的技术人员在不脱离本实用新型原理的基础上，可以 作出各种修改或者变换。应当理解，这些修改或者变换都不脱离本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1. 一种用于超导腔内表面化学抛光的封闭式循环系统，所述超导腔坚直设置，其特征 在于，所述系统包括： 酸液循环回路，包括与超导腔两端分别相连形成封闭式循环回路的酸液箱，该酸液箱 中容纳有通过第一泵在所述酸液循环回路中进行循环的酸液； 冷却水循环回路，包括冰水箱，该冰水箱中容纳有通过第二泵在所述冷却水循环回路 中进行循环的用于冷却酸液和超导腔外表面的冰水； 洁净水冲洗管路，包括与超导腔下端相连的净水箱，以及与超导腔上端相连的废水回 收箱，该净水箱中容纳有通过第三泵在所述洁净水冲洗管路中从净水箱流向废水回收箱的 洁净水； 废液回收管路，包括与超导腔两端分别相连的废液回收箱。
2. 如权利要求1所述的用于超导腔内表面化学抛光的封闭式循环系统，进一步包括， 设于所述第一泵与所述超导腔下端之间的过滤膜装置。
3. 如权利要求2所述的用于超导腔内表面化学抛光的封闭式循环系统，进一步包括， 通过阀门连通所述过滤膜装置两端的旁路。
4. 如权利要求1或2所述的用于超导腔内表面化学抛光的封闭式循环系统，所述净水 箱的顶部分别设有自来水入口和超纯水入口。
5. 如权利要求1或2所述的用于超导腔内表面化学抛光的封闭式循环系统，所述酸液 箱的顶部设有废气排放口。
6. 如权利要求1或2所述的用于超导腔内表面化学抛光的封闭式循环系统，所述酸液 箱、冰水箱、净水箱、废液回收箱和废水回收箱均由聚氯乙烯制成。
7. 如权利要求6所述的用于超导腔内表面化学抛光的封闭式循环系统，进一步包括， 由聚氯乙烯制成的液体管道。
8. 如权利要求7所述的用于超导腔内表面化学抛光的封闭式循环系统，进一步包括， 覆有聚乙烯保护层的空气管道和电路管道。
9. 如权利要求1或2所述的用于超导腔内表面化学抛光的封闭式循环系统，所述超导 腔两端分别通过聚氯乙烯法兰和氟胶垫圈密封连接。
10. 如权利要求1或2所述的用于超导腔内表面化学抛光的封闭式循环系统，所述系统 整体设置于一手推车上。
【文档编号】C23F3/06GK203947160SQ201420234405
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年5月8日 优先权日:2014年5月8日
【发明者】马震宇, 刘建飞, 侯洪涛, 封自强, 毛冬青, 罗琛 申请人:中国科学院上海应用物理研究所