高温辐照蠕变装置的制作方法

本发明涉及核能结构材料抗辐照性能评价设备及方法技术领域，尤其是涉及一种高温辐照蠕变装置。

背景技术：

目前，借助重离子替代中子进行材料辐照，模拟核能结构材料的抗辐照性能，是国际上比较公认的方法，因为离子辐照具有经济性，安全性和快捷性等诸多优点。利用离子辐照，需要将辐照靶室与加速器束流管道连接。当前，国内辐照靶室有多种多样，如普通高温靶室，利用加热丝将样品靶托加热，这样被辐照的样品能够在高温下进行辐照，模拟材料在高温辐照情况下，辐照缺陷在高温环境中的运动过程；低温靶室，利用液氮甚至液氦冷却样品靶托，这样被辐照的样品能够在低温下进行辐照，模拟离子碰撞过程中缺陷最初形成状态；高温-应力辐照装置，通过对样品加载一定程度的载荷，然后在进行高温样品辐照，这比前面提到的简单高温辐照装置，更进一步，模拟材料在核能环境中的工况。

核能结构材料在实际应用过程中，面临着高温、强辐射、热应力等环境，在这种环境中，辐射会导致材料发生形变，即辐照蠕变。材料在长期服役过程中，辐照蠕变会导致材料机械性能降低，严重影响核能安全。核能结构材料的辐照蠕变性能对评价该材料性能至关重要，到目前为止，国内还没有合适进行辐照蠕变研究的靶室，如现有的高温-应力辐照装置只能够进行粗略加载载荷，更关键的该装置无法对材料辐照过程中产生的形变进行测量。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足提供高温辐照蠕变装置。从而有效解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：所述的高温辐照蠕变装置，其特点是包括高温靶室，所述的高温靶室下端设置有差动变压器和应力加载系统，高温靶室上还设置有观察窗和束流检测系统，高温靶室一侧通过真空闸板阀和真空管路与泄漏罐相连，泄漏罐上设置有观察窗和束流检测系统，高温靶室另一侧通过真空管路与常温靶室相连，常温靶室上设置有观察窗和旋转升降系统，常温靶室通过真空管路与降能系统相连，降能系统通过真空检测通道与真空维护系统相连，真空检测通道上设置有观察窗和束流检测系统，真空维护系统上设置有真空闸板阀。

所述的高温靶室的前端中心通过真空管道和法兰与常温靶室相连接，高温靶室的顶端设置有热电偶法兰组件、用于预留口的法兰盖和用于对靶室侧壁冷却的上拉杆出水管组件，高温靶室内设置有承载框架组件，加热炉组件安装在承载框架组件上，加热炉组件上方的承载框架组件上对应设置有水冷上拉杆组件和负荷传感器，加热炉组件下方的承载框架组件上对应设置有水冷下拉伸杆组件，上拉杆出水管组件下端与承载框架组件相连且相接处对应设置有密封铜圈，承载框架组件上还设置有法兰八芯插头组件、高温靶室舱门水冷组件和热电偶引出导线，差动变压器安装在承载框架组件上，高温靶室下端安装有加荷机构连接体，加荷机构连接体内对应加热炉组件设置有水冷下拉杆波纹管组件，水冷下拉伸杆组件延伸入水冷下拉杆波纹管组件内，应力加载系统安装在加荷机构连接体下方，拉伸机电机设置在应力加载系统下部，实验样品设置在加热炉组件内。

所述的常温靶室通过旋转升降系统中的升降旋转电机实现360°旋转，升降位移为0-30cm，使常温靶托上放置多个样品；常温靶室为纯铜材料，另外在靶托内放置铜管回路，通循环水，保证了辐照过程中样品为常温，所述的高温靶室内的加热炉组件利用加热丝环绕在陶瓷片上分为两个半球，实验样品设置在球中心，保证了样品整体温度均匀。

所述的负荷传感器连接水冷上拉杆组件并通入到加热炉组件中，加热炉组件下端连接水冷下拉杆波纹管组件，水冷下拉杆波纹管组件与差动变压器连接，差动变压器下端连接加荷机构连接体，加荷机构连接体由应力加载系统通过拉伸机电机控制。

所述的束流检测系统包括设置在高温靶室内的荧光靶和法拉第筒，高温靶室外部对应荧光靶和法拉第筒设置有气缸，通过气缸控制荧光靶和法拉第筒的升降，所述的法拉第筒和荧光靶设置在高温靶室内的被辐照样品前端10cm处，所述的观察窗为石英玻璃观察窗，观察窗设置在高温靶室内内的荧光靶前端倾斜45°处，同时安装有用于观察束流打到荧光靶时光斑形貌的摄像头，荧光靶和法拉第筒将束斑图像自动采集传输到计算机中，荧光靶和法拉第筒为集成一体结构，通过两套气动系统控制气动法拉第筒和气动荧光靶的行程。

所述的降能系统内部两个圆片包裹的位置设有铝箔旋转片，其将360°分成36份，每10°设有20×30mm²的铝膜，铝膜厚度为2.5-50μm，保证了离子束穿过不同厚度的铝膜后，在材料中沉积深度不同，保证了从样品表面到最大损伤深处的范围内形成均匀的损伤区域，以此更准确地模拟中子辐照损伤。

所述的应力加载系统通过上样品杆和下样品杆将实验样品固定在一起，上样品杆固定在高温靶室腔内上表面，下样品杆连接水冷下拉杆波纹管组件的高灵敏度拉伸机，当样品被固定后，通过对下样品杆对样品施加50-1000n应力，最小加荷分级为1n，负荷精度为±0.5％，并在最长100小时的蠕变试验过程中确保试验稳定，数据可靠，通过差动变压器和应力加载系统中的伺服电机加滚珠丝杠-螺母完成蠕变试验中施加负荷的过程，加荷过程中，实现先加预负荷，施加预负荷的目的是消除抽真空时由于墙体的微小变形对试样的影响，再加主负荷，主负荷亦可大可小，加荷过程平稳，一旦试样出现断裂，系统可减震，对整个系统影响能降至最小；在整个蠕变全过程中，有负荷传感器对施加负荷直接数字显示并监控，通过负荷的闭环自动调节系统，将自动保持试样的负荷不变；高温拉杆位于真空室内，滚珠丝杠，伺服电机位于真空室外；差动变压器安装在下样品杆上，精确测量辐照过程中，样品杆的位移，量程10mm，测量灵敏度2μm，测量精度±0.2％，将在彩色显示板上一并显示，真空管道在冷态条件下空载极限真空度优于1×10^-5pa；真空漏率优于5×10^-7pa·l/s；压升率小于0.8pa/h。

所述的高温辐照蠕变装置，其用自行设计的控制软件及数据采集处理软件，实现计算机对样品加热温度的控制、相应蠕变加荷-变形、试样变形测量、各执行元件的动作。试验过程中，温度、负荷、时间、变形将自动彩色显示于该装置的人机界面彩色触摸屏中，并可与计算机直接通讯。

本发明的有益效果是：所述的高温辐照蠕变装置及温控方法，其在被辐照样品的前端，安装有36片不同厚度的铝膜，成功地解决了以往重离子辐照在材料内部损伤随深度分布不均匀的问题；样品杆与高灵敏度拉伸机连接，成功地实现了对被辐照样品加载载荷量的精确控制；在样品杆上，安装有差动变压器，成功地实现了高能重离子辐照材料形变量的在线测量。本发明成功地填补了国内辐照蠕变研究技术装备上的空白，为核能结构材料高温辐照蠕变性能快速、有效评价提供了研究平台，为我国核材料研究提供了装备保障。

附图说明：

图1是本发明的结构原理示意图；

图2是本发明图1中的高温靶室剖视结构示意图；

图3是本发明图2的右视结构示意图；

图4是本发明图2的左视结构示意图；

图5是本发明图2的俯视结构示意图；

图6是本发明的实施方法原理示意图。

图中所示：1.真空闸板阀；2.真空维护系统；3.束流检测系统；4.观察窗；5.真空检测通道；6.降能系统；7.常温靶室；7-1.旋转升降系统；8.高温靶室；8-1.差动变压器；8-2.应力加载系统；9.泄漏罐；10.拉伸机电机；11.荧光靶；12.法拉第筒；13.气缸；14.法兰盖；15.上拉杆出水管组件；16.负荷传感器；17.密封铜圈；18.法兰八芯插头组件；19.承载框架组件；20.水冷上拉杆组件；21.加热炉组件；22.热电偶引出导线；23.水冷下拉杆波纹管组件；24.加荷机构连接体；25.热电偶法兰组件；26.高温靶室舱门水冷组件；27.实验样品；28.水冷下拉伸杆组件。

具体实施方式

以下结合附图所示之最佳实例作进一步详述：

如图1至5所示，所述的高温辐照蠕变装置，其特点是包括高温靶室8，所述的高温靶室8下端设置有差动变压器8-1和应力加载系统8-2，高温靶室8上还设置有观察窗4和束流检测系统3，高温靶室8一侧通过真空闸板阀1和真空管路与泄漏罐9相连，泄漏罐9上设置有观察窗4和束流检测系统3，高温靶室8另一侧通过真空管路与常温靶室7相连，常温靶室7上设置有观察窗4和旋转升降系统3，常温靶室7通过真空管路与降能系统6相连，降能系统6通过真空检测通道5与真空维护系统2相连，真空检测通道5上设置有观察窗4和束流检测系统3，真空维护系统2上设置有真空闸板阀1。

所述的高温靶室8的前端中心通过真空管道和法兰与常温靶室7相连接，高温靶室8的顶端设置有热电偶法兰组件25、用于预留口的法兰盖14和用于对靶室侧壁冷却的上拉杆出水管组件15，高温靶室8内设置有承载框架组件19，加热炉组件21安装在承载框架组件19上，加热炉组件21上方的承载框架组件19上对应设置有水冷上拉杆组件20和负荷传感器16，加热炉组件21下方的承载框架组件19上对应设置有水冷下拉伸杆组件28，上拉杆出水管组件15下端与承载框架组件19相连且相接处对应设置有密封铜圈17，承载框架组件19上还设置有法兰八芯插头组件18、高温靶室舱门水冷组件26和热电偶引出导线22，差动变压器8-1安装在承载框架组件19上，高温靶室8下端安装有加荷机构连接体24，加荷机构连接体24内对应加热炉组件21设置有水冷下拉杆波纹管组件23，水冷下拉伸杆组件28延伸入水冷下拉杆波纹管组件23内，应力加载系统8-2安装在加荷机构连接体24下方，拉伸机电机10设置在应力加载系统8-2下部，实验样品27设置在加热炉组件21内。

所述的常温靶室7通过旋转升降系统7-1中的升降旋转电机实现360°旋转，升降位移为0-30cm，使常温靶托7上放置多个样品；常温靶室7为纯铜材料，另外在靶托内放置铜管回路，通循环水，保证了辐照过程中样品为常温，所述的高温靶室8内的加热炉组件利用加热丝环绕在陶瓷片上分为两个半球，实验样品设置在球中心，保证了样品整体温度均匀。

所述的负荷传感器16连接水冷上拉杆组件并通入到加热炉组件中，加热炉组件下端连接水冷下拉杆波纹管组件，水冷下拉杆波纹管组件与差动变压器连接，差动变压器下端连接加荷机构连接体，加荷机构连接体由应力加载系统通过拉伸机电机控制。

所述的束流检测系统3包括设置在高温靶室8内的荧光靶11和法拉第筒12，高温靶室8外部对应荧光靶11和法拉第筒12设置有气缸13，通过气缸13控制荧光靶11和法拉第筒12的升降，所述的法拉第筒12和荧光靶11设置在高温靶室8内的被辐照样品前端10cm处，所述的观察窗4为石英玻璃观察窗，观察窗设置在高温靶室内内的荧光靶前端倾斜45°处，同时安装有用于观察束流打到荧光靶时光斑形貌的摄像头，荧光靶和法拉第筒将束斑图像自动采集传输到计算机中，荧光靶和法拉第筒为集成一体结构，通过两套气动系统控制气动法拉第筒和气动荧光靶的行程。

所述的降能系统内部两个圆片包裹的位置设有铝箔旋转片，其将360°分成36份，每10°设有20×30mm²的铝膜，铝膜厚度为2.5-50μm，保证了离子束穿过不同厚度的铝膜后，在材料中沉积深度不同，保证了从样品表面到最大损伤深处的范围内形成均匀的损伤区域，以此更准确地模拟中子辐照损伤。

所述的应力加载系统通过上样品杆和下样品杆将实验样品固定在一起，上样品杆固定在高温靶室腔内上表面，下样品杆连接水冷下拉杆波纹管组件的高灵敏度拉伸机，当样品被固定后，通过对下样品杆对样品施加50-1000n应力，最小加荷分级为1n，负荷精度为±0.5％，并在最长100小时的蠕变试验过程中确保试验稳定，数据可靠，通过差动变压器和应力加载系统中的伺服电机加滚珠丝杠-螺母完成蠕变试验中施加负荷的过程，加荷过程中，实现先加预负荷，施加预负荷的目的是消除抽真空时由于墙体的微小变形对试样的影响，再加主负荷，主负荷亦可大可小，加荷过程平稳，一旦试样出现断裂，系统可减震，对整个系统影响能降至最小；在整个蠕变全过程中，有负荷传感器对施加负荷直接数字显示并监控，通过负荷的闭环自动调节系统，将自动保持试样的负荷不变；高温拉杆位于真空室内，滚珠丝杠，伺服电机位于真空室外；差动变压器安装在下样品杆上，精确测量辐照过程中，样品杆的位移，量程10mm，测量灵敏度2μm，测量精度±0.2％，将在彩色显示板上一并显示，真空管道在冷态条件下空载极限真空度优于1×10^-5pa；真空漏率优于5×10^-7pa·l/s；压升率小于0.8pa/h。

所述的高温辐照蠕变装置，其用自行设计的控制软件及数据采集处理软件，实现计算机对样品加热温度的控制、相应蠕变加荷-变形、试样变形测量、各执行元件的动作。试验过程中，温度、负荷、时间、变形将自动彩色显示于该装置的人机界面彩色触摸屏中，并可与计算机直接通讯。

如图6所示，所述的高温辐照蠕变装置，其在实施时，首先安装样品，关闭高温靶室，抽真空，设定温度参数，对样品加热，加载应力，打开插板阀，利用法拉第筒和荧光靶观察束流情况，温度、应力、束流合适后，进行辐照，测量辐照环境下材料蠕变性能，通过自控系统，调节实验参数，获取实验数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。