一种集成化主动冷却粒子流探针的制作方法

本发明涉及核聚变装置中第一壁和偏滤器处粒子流测量领域，主要涉及一种集成化主动冷却粒子流探针，用于测量核聚变装置中第一壁和偏滤器处的面向等离子体材料表面的离子饱和流、电子温度、电子密度和热流等。

背景技术：

在核聚变装置中，面向等离子体材料是暴露于等离子体区域的材料。在核聚变装置运行过程中，第一壁和偏滤器处的面向等离子体材料会受到高能离子、电子和中性粒子的轰击，以及稳态和瞬态强热流的冲击。为了测量第一壁和偏滤器处的面向等离子体材料表面的离子饱和流、电子温度、电子密度和热流等，通常在面向等离子体材料中设置探针。

目前的核聚变装置中粒子流测量用的探针都是被动冷却的，前端材料使用钨、石墨、碳纤维复合材料等耐高温材料。通常情况下，沉积到第一壁和偏滤器处的热流高达1-20mw/m²。因此，被动冷却的探针在工作过程中很快就会被烧蚀、熔化。主动冷却的探针在接收粒子流信号的同时，及时移除沉积到探针的热流，可以避免其遭受烧蚀，延长其使用寿命。但是，为了获得一定空间分辨率的粒子流信号，需要在第一壁和偏滤器处的面向等离子体材料表面布置大量的探针，这将导致主动冷却探针的冷却水管道变得复杂，使探针的布置变得困难，而且增加了泄漏的风险。本发明提供的集成化主动冷却粒子流探针，不仅可以快速移除沉积到探针的热流，具有较长的使用寿命，而且冷却水管道简单紧凑，易于安装，安全可靠。

技术实现要素：

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种集成化主动冷却粒子流探针，不仅可以快速移除沉积到探针的热流，具有较长的使用寿命，而且冷却水管道简单紧凑，易于安装，安全可靠。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种集成化主动冷却粒子流探针，其特征在于：包括有粒子接收探头、柱状热沉和电信号导出端子，所述粒子接收探头的底端通过应力缓释层与柱状热沉贴合，所述柱状热沉内部设有连通的冷却水通道，所述冷却水通道为通过隔板隔开且连通的两半圆柱形空腔结构，所述柱状热沉的底端部电连通有电信号导出端子，所述柱状热沉的底端安装在分水盒上，所述柱状热沉与所述分水盒之间设有绝缘管，所述分水盒内设有与柱状热沉冷却水通道连通的通道。

所述的粒子接收探头由钨或者钨合金制成，其位于前端用于与等离子体接触。

所述的应力缓释层由无氧铜或钨铜梯度材料制成，与所述粒子接收探头和所述柱状热沉分别紧密贴合。

所述的柱状热沉由铬锆铜合金或al2o3弥散强化铜制成。

所述的柱状热沉为具有底部开口的半开放圆柱形内腔结构，所述半开放圆柱形内腔由一隔板分成两个半圆柱形空间，且所述隔板与所述半开放圆柱形内腔顶端之间留有顶部空间，形成途经其中一侧半圆柱形空间、顶部空间以及另一侧半圆柱形空间的冷却水通道。所述的半圆柱形冷却水通道结构简单，降低了探针制造难度，保障了冷却水流动的通畅性，提高了冷却水冷却效率，增加了探针使用的安全性。

所述的柱状热沉的外表面设有绝缘套或绝缘涂层。

所述的电信号导出端子与柱状热沉浑然一体，具有较好的电连通。

所述的绝缘管内部设有两个上下贯通的半圆柱形空间，且其与所述柱状热沉的两个半圆柱形空间连通。

所述的分水盒由不锈钢制成，其上设有进水和出水两个相互贴合的方形通道，且进水和出水通道顶端设有半圆形进水口和出水口，所述进水口和出水口分别与所述柱状热沉的冷却水通道连通。

所述的粒子流探针若干个为一组，其分别通过所述绝缘管与所述分水盒组装焊接成整体。所述粒子流探针的高度集成化缩减了供应冷却水的管道数量，降低了制造难度，简化了制造工艺，降低了冷却水泄漏的风险，便于安装，特别是解决了由于安装空间狭小导致无法安装的问题。

上述技术方案中，所述的柱状热沉的冷却水通道为通过隔板隔开的半开放圆柱形内腔结构，其冷却水流动通畅，可快速移除沉积到探针的热流，而且其简单紧凑，易于制备。在柱状热沉下端侧面上可以直接机加工出电信号导出端子，两者自然成为一体，具有较好的电连通。粒子流探针通过绝缘管与分水盒集成组装焊接，缩减了冷却水管道数量，制造工艺简单，易于安装。

本发明的优点是：

本发明结构设计合理，不仅可以快速移除沉积到探针的热流，具有较长的使用寿命，而且冷却水管道简单紧凑，易于安装，安全可靠。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的结构剖视图。

图3为绝缘管的结构示意图。

图4为分水盒的结构示意图。

具体实施方式：

参见附图。

一种集成化主动冷却粒子流探针，包括有粒子接收探头1、柱状热沉3和电信号导出端子4，所述粒子接收探头1由钨或者钨合金制成，其通过应力缓释层2与柱状热沉3贴合，并且热连通和电连通，所述柱状热沉3由铬锆铜合金制成，或者由al2o3弥散强化铜制成，其内部具有连通的冷却水通道，所述电信号导出端子4与柱状热沉3电连通；所述柱状热沉3的底端安装在分水盒7上，所述柱状热沉3与所述分水盒7之间设有绝缘管6，所述分水盒7内设有与柱状热沉3冷却水通道连通的通道。绝缘套或者绝缘涂层5覆盖在柱状热沉3的外表面，实现柱状热沉3与待测第一壁或者偏滤器部件之间的绝缘。绝缘管6实现柱状热沉3与分水盒7之间的绝缘，并且保持柱状热沉3与分水盒7之间水道的连通；分水盒7由不锈钢制成，同时为多个柱状热沉3供应冷却水。

如图2所示，粒子接收探头1、应力缓释层2、柱状热沉3和电信号导出端子4构成粒子流探针。粒子流探针，若干个为一组，通过绝缘管6与分水盒7组装焊接成整体，高度集成化。

应力缓释层2由无氧铜制成，或者由钨铜梯度材料制成，与粒子接收探头1和柱状热沉3分别贴合，并且热连通和电连通。

柱状热沉3具有底部开口的半开放圆柱形内腔，该半开放圆柱形内腔由一隔板分成两个半圆柱形空间3a和3b，并且隔板与半开放圆柱形内腔顶端之间留有顶部空间3c，形成途经半圆柱形空间3a，顶部空间3c，以及半圆柱形空间3b的冷却水通道（如图1和图2中箭头所示）。优选地，为了让水流更为通畅，顶部空间3c为半球形。

绝缘管6内部具有两个上下贯通的半圆柱形空间6a和6b，并且与柱状热沉3的两个半圆柱形空间3a和3b分别连通。优选地，绝缘管6通过过渡层可伐合金与柱状热沉3和分水盒7连接。

分水盒7具有进水7a和出水7b两个相互贴合的方形通道，进水和出水通道顶端具有半圆形进水口7c和出水口7d，与柱状热沉3的冷却水通道连通。

其制作方法是：

首先，利用铸造工艺在钨（或者钨合金）板材表面覆盖一层无氧铜，或者利用热压工艺在钨（或者钨合金）板材表面覆盖钨铜梯度层，然后利用热等静压扩散焊工艺把覆无氧铜（或钨铜梯度层）的钨（或者钨合金）板材与铬锆铜合金（或者al2o3弥散强化铜）板材焊接在一起。接下来，把焊合的复合板加工成圆柱状，并且，从铬锆铜合金（或者al2o3弥散强化铜）热沉的底端加工冷却水通道。鉴于冷却水通道的复杂性，可以把柱状热沉分成上下两段，上段热沉与钨材料通过热等静压扩散焊工艺焊接，再从上段热沉底端加工半球形凹槽，下段热沉加工上下贯通的两个半圆柱形通道，然后对上下两段热沉进行电子束对接。下段热沉下端侧面上可以直接机加工出电信号导出端子，两者自然成为一体，具有较好的电连通。通过以上步骤可以制备出粒子流探针若干。柱状热沉外表面覆盖的绝缘套可以由陶瓷坯料烧制而成，绝缘涂层可以由等离子体喷涂或者物理气相沉积工艺制备。其后，绝缘管由陶瓷坯料直接烧制而成，分水盒由钢板直接机加工而成。最后，把若干个粒子流探针、绝缘管与分水盒组装在一起，通过钎焊工艺把三者焊接在一起。为了提高焊接质量，可在柱状热沉与绝缘管、绝缘管与分水盒之间施加可伐合金作为过渡。