本发明属于氘气提纯领域，具体涉及一种神光Ⅱ高功率激光装置上的氘气提纯装置及其提纯方法，用于激光加载下氘材料的状态方程实验研究。
背景技术：
惯性约束聚变(ICF)要实现氘氚(DT)的聚变点火，必须严格控制靶丸内爆的压缩过程和效果，因此，靶丸材料的状态方程参数对内爆压缩过程具有重要的影响，而用来准确预判和分析该过程的数值模拟程序也需要靶丸材料可靠的状态方程实验数据作支撑。靶丸材料主要由聚苯乙烯等低Z烧蚀层、氘氚冰和氘氚气体组成，因此，实验上获取它们的状态方程参数对于优化ICF靶丸设计、研究内爆压缩过程和效果以及实现最终的聚变点火有着重大的学术和应用价值。
为开展激光加载下氘材料的状态方程实验研究，必须获得纯度较高的氘材料，而目前在激光装置上建立的氘材料的实验用靶具有体积小、结构复杂等特点，这就为在氘靶中实现较高纯度带来了巨大困难，例如氘气在液化过程中，由于靶中存在其他杂质气体，比如氮气，氮气在70K左右即发生液化，当杂质气体中的氮气发生液化时，液氮将在窗口材料上形成“凝霜”，遮挡实验诊断光路，降低实验图像的对比度，进而影响到实验数据的精度。为实现高纯度的目的，国际上众多实验室皆采取用较长的抽真空时间换取较高的纯度，致使实验打靶效率过低。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种神光Ⅱ高功率激光装置上的氘气提纯装置及其提纯方法，本发明保护了真空系统中高真空规管和昂贵的分子泵等关键设备，同时，由于管道回路设计的优化，在气体提纯的过程中可以保持高真空设备-分子泵的连续不间断工作，大大缩短了气体置换的时间，进而提高了真空抽取的次数，大幅提升了神光Ⅱ高功率激光加载下氘材料状态方程实验研究的效率。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于神光Ⅱ高功率激光装置的氘气提纯装置，该氘气提纯装置包括氘气进入系统，氘气抽出系统和真空机组，
所述氘气进入系统包括氘气源、靶室外进气管道、双向截止阀I、双向截止阀Ⅱ、靶室通气管道、靶体，所述氘气源与靶室外进气管道相连，在所述靶室外进气管道上设有双向截止阀I和实时压力表(实时压力表与氘气源固定相连)，所述靶室外进气管道通过双向截止阀Ⅱ与靶室通气管道相连，靶室通气管道与靶体相连，双向截止阀Ⅱ上装有质量流量计，
所述氘气抽出系统包括靶室通气管道、双向截止阀Ⅲ、靶室外抽气管道，所述靶室外抽气管道通过双向截止阀Ⅲ与靶室通气管道相连，所述靶室外抽气管道设有双向截止阀Ⅳ，
所述真空机组包括外壳，所述外壳中设有上层腔室和下层腔室，在下层腔室中设有机械泵、上层腔室中设有分子泵，外壳上端面上设有真空腔，真空腔上设有上端口、下端口、左端口、右端口、前端口、后端口，所述上端口与靶室外抽气管道相连，下端口通过闸板阀与分子泵相连，所述分子泵与机械泵相连，形成主抽回路，
在预抽气管道上设有双向截止阀Ⅴ，当关闭闸板阀，打开双向截止阀Ⅳ和双向截止阀Ⅴ时，左端口与机械泵之间通过预抽气管道相连形成预抽气回路，前端口与低真空规管相连，后端口与高真空规管相连。
所述双向截止阀I、双向截止阀Ⅱ、双向截止阀Ⅲ、双向截止阀Ⅳ和双向截止阀Ⅴ均为双向真空阀。
所述右端口为备用端口，右端口上安装有全量程规管。
所述闸板阀为90°闸板阀。
所述低真空规管为电阻规。
所述高真空规管为电离规。
所述下端口采用刀口结构、上端口和右端口采用KF40型号、前端口采用KF16型号、左端口采用KF25型号，所述下端口、上端口、左端口、右端口、前端口、后端口的材质均为304不锈钢。
所述真空机组外壳的长、宽、高为1150mm×600mm×45mm，外壳的下端部设有万向轮，所述万向轮为四个带有锁止功能的万向轮，可实现机组的任意移动和固定。
一种用于神光Ⅱ高功率激光装置的氘气提纯装置的提纯方法，该方法包括以下步骤：
第一步，通过关闭双向截止阀Ⅱ将靶室外充气管道关闭，打开双向截止阀Ⅲ和双向截止阀Ⅳ，将闸板阀打开,通过关闭双向截止阀Ⅴ将预抽气回路关闭，启动机械泵，当真空度高于4Pa时启动分子泵，保持分子泵转速达75000转/min且输出电流稳定时，维持4-5分钟，此时真空度可以优于5×10-3Pa，
第二步，通过关闭双向截止阀Ⅲ将靶室外抽气管道关闭，此时再打开双向截止阀Ⅱ，接通靶室外进气管道和靶体，通过打开双向截止阀I接通氘气源，通过质量流量计控制靶室外进气管道内气压为1.1-1.5个大气压，接着，通过按先后顺序关闭双向截止阀I和双向截止阀Ⅱ将靶室外进气管道关闭，保持4-5分钟，利用分子扩散原理氘气分子扩散至靶体内，
第三步、关闭闸板阀关闭主抽回路，通过打开双向截止阀Ⅳ和双向截止阀Ⅴ接通预抽回路，由于机械泵一直处于工作状态，因此此时可将靶体内氘气抽出，当真空度优于4Pa时打开闸板阀，接通主抽回路，此时可通过关闭双向截止阀Ⅴ将同时预抽回路关闭，真空度优于2×10-3Pa时，完成一次置换，
第四步、重复第二步至第三步，完成6-7次循环。
本发明中所述氘气提纯方法根据实验研究的要求需在较短时间内(约10分钟)完成一次置换过程，一次置换过程包括充气和抽气两个步骤。因此，根据管道体积和氘气分子量和压强可计算出气体质量，根据置换时间，可计算得出所需抽速，根据最终结果，该置换设备采用安捷伦公司的V750型号的分子泵及其配套机械泵，真空监测规管采用电阻规和电离规。
本发明中氘气提纯方法根据实验时间要求，在一次置换过程中，抽真空核心部件-分子泵和真空监测规管必须全程工作，不能停机，因此，抽真空回路设计中增加预抽回路和90°闸板阀，用于保护抽气过程中氘气对分子泵扇叶和电离规的损伤，进而节省实验成本。
本发明氘气提纯方法根据实验实施的需求，要求充气过程和抽气过程相互独立，不能相互干扰，因此设置双向截止阀达成该目的。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
①本发明置换时间短，实验成本低。本发明完成一次置换过程一般可控制在10分钟内，根据实际需要还可以降低，一般在激光装置上开展的液氘材料的状态方程实验研究要求气体置换在10次左右，时间约两个半小时，本发明可以将氘气置换整体置换时间控制在1小时以内，从时间上看，大大降低了实验成本；②特殊的回路设计，保护了分子泵、高真空规管等关键部件。由于本发明采用了优化设计的预抽回路和90°闸板阀等部件，可以在抽气过程中全程开启电离规和分子泵，避免其遭受气体置换过程中的冲击乃至损伤，从实验成本上看，大大节省了实验经费；③特制真空机组小巧灵活，具有可移动性，神光Ⅱ高功率激光实验室的环境特点对设备的外形尺寸、移动性有很高的要求，本发明所设计的真空机组外形尺寸为1150mm×600mm×45mm，且具有任意移动的能力，在神光Ⅱ高功率激光实验室中不存在设备放置相互干扰的情况；④多功能性。本发明不仅可以用于氘气的置换提纯，还可以无门槛的适用于其他气体，如惰性气体(氦气、氙气等)、氢气、甲烷等，具有较好的适用性；⑤维护保养成本低，本发明涉及的设备每年的维护保养经费在5000元以内，与国内外相关实验室中的氘气提纯装置相比，成本及其低廉、设备较为皮实。
附图说明
以下参照附图对本发明作进一步说明，其中：
图1为本发明中提纯装置的结构示意图。
图2为本发明中真空机组结构示意图。
图3为图2的左侧视图。
图4为本发明中真空腔的结构示意图。
图5为本发明中整个氘气置换过程的压力曲线图。
图6为本发明中氘气液化过程图。
具体实施方式
实施例1
如图1、图2、图3和图4所示，本实施例用于神光Ⅱ高功率激光装置的氘气提纯装置，该氘气提纯装置包括氘气进入系统，氘气抽出系统和真空机组，
所述氘气进入系统包括氘气源1、靶室外进气管道2、双向截止阀I3、双向截止阀Ⅱ4、靶室通气管道5、靶体6，所述氘气源1与靶室外进气管道2相连，在所述靶室外进气管道2上设有双向截止阀I3和实时压力表，所述靶室外进气管道2通过双向截止阀Ⅱ4与靶室通气管道5相连，靶室通气管道5与靶体6相连，双向截止阀Ⅱ4上装有质量流量计，
所述氘气抽出系统包括靶室通气管道5、双向截止阀Ⅲ7、靶室外抽气管道8，所述靶室外抽气管道8通过双向截止阀Ⅲ7与靶室通气管道5相连，所述靶室外抽气管道8设有双向截止阀Ⅳ9，
所述真空机组包括外壳10，所述外壳10中设有上层腔室11和下层腔室12，在下层腔室12中设有机械泵13、上层腔室11中设有分子泵14，外壳10上端面上设有真空腔15，真空腔15上设有上端口151、下端口152、左端口153、右端口154、前端口155、后端口156，所述上端口151与靶室外抽气管道8相连，下端口152通过闸板阀16与分子泵14相连，所述分子泵14与机械泵13相连，形成主抽回路，
在预抽气管道17上设有双向截止阀Ⅴ18，当关闭闸板阀16，打开双向截止阀Ⅳ9和双向截止阀Ⅴ18时，左端口153与机械泵13之间通过预抽气管道17相连形成预抽气回路，前端口155与低真空规管相连，后端口156与高真空规管相连。
作为优选，本实施例双向截止阀Ⅱ4、双向截止阀Ⅲ7、双向截止阀Ⅳ9和双向截止阀Ⅴ18均为双向真空阀。
作为进一步优选，本实施例右端口154为备用端口，右端口154上安装有全量程规管。
作为进一步优选，本实施例闸板阀16为90°闸板阀。
作为进一步优选，本实施例低真空规管为电阻规；高真空规管为电离规。
作为进一步优选，本实施例下端口152采用刀口结构、上端口151和右端口154采用KF40型号、前端口155采用KF16型号、左端口153采用KF25型号，所述下端口、上端口、左端口、右端口、前端口、后端口的材质均为304不锈钢。
作为更进一步优选，本实施例真空机组外壳10的长、宽、高为1150mm×600mm×45mm，外壳10的下端部设有万向轮22。
本实施例用于神光Ⅱ高功率激光装置的氘气提纯装置的提纯方法，该方法包括以下步骤：
第一步，通过关闭双向截止阀Ⅱ4将靶室外充气管道2关闭，打开双向截止阀Ⅲ7和双向截止阀Ⅳ9，将闸板阀16打开,通过关闭双向截止阀Ⅴ18将预抽气回路关闭，启动机械泵13，当真空度高于4Pa时启动分子泵14，保持分子泵14转速达75000转/min且输出电流稳定时，维持4-5分钟，此时真空度可以优于5×10-3Pa，
第二步，通过关闭双向截止阀Ⅲ7将靶室外抽气管道8关闭，此时再打开双向截止阀Ⅱ4，接通靶室外进气管道2和靶体6，通过打开双向截止阀I3接通氘气源1，通过质量流量计控制靶室外进气管道2内气压为1.1-1.5个大气压，接着，通过按先后顺序关闭双向截止阀I3和双向截止阀Ⅱ4将靶室外进气管道2关闭，保持4-5分钟，利用分子扩散原理氘气分子扩散至靶体6内，
第三步、关闭闸板阀16关闭主抽回路，通过打开双向截止阀Ⅳ9和双向截止阀Ⅴ18接通预抽回路，由于机械泵一直处于工作状态，因此此时可将靶体6内氘气抽出，当真空度优于4Pa时打开闸板阀16，接通主抽回路，此时可通过关闭双向截止阀Ⅴ18将同时预抽回路关闭，真空度优于2×10-3Pa时，完成一次置换，
第四步、重复第二步至第三步，完成6-7次循环。
本实施例1的实验验证：
在高功率激光联合实验室的“神光Ⅱ”高功率激光装置的打靶实验中，采用本次设计的氘气置换方法和设备进行实验验证。实验前按照上述安装方法和操作步骤进行气体置换，并开展相关液化实验。采用本发明的氘气置换设备，操作简单，在靶室外可机动选择合适位置。整个气体置换过程花费时间约60分钟(即置换6-7次抽气、充气的循环的时间)，相比以前的一次置换过程需时20分钟(一次置换过程包括充气和抽气两个步骤，抽气过程前将分子泵、真空规管停机，然后再启动分子泵)，整个置换时间需时两个半小时，在显著减小了置换时间的同时，保护了分子泵在高速旋转时免受气体冲击。几轮实验中，进行了不少于20发次的实验，利用可见光CCD监控氘状态，可明显观测到气-液转化过程，且在低温液化过程中，仅在21K-25K温度之间发生了一次气液相变且靶体窗口无明显凝霜现象，意味着整个置换过程氘气提纯程度很高，20余发时间均获得了液氘材料的状态方程实验数据。
本实施例整个氘气置换过程的压力曲线图如图5所示，由图5可知，整个气体置换过程花费时间约60分钟(置换6-7个抽气、充气的循环)，大大提高了氘气液化效率。
氘气液化过程如图6所示：氘气液化过程没观测到多次液化现象，只有一次液化过程，且发生在21K-25K温度之间，可以证明为氘气的液化，从而证明本实施例置换方法得到氘气的纯度较高，图6中包括液化过程中a、b、c、d、e、f，6个时刻状态，其中图a为温度大于30K时氘气的状态，图b-e为氘气到液态氘的相变过程图，图f为温度为21K时液氘的状态图。
实施例2
本实施例中，将氘气源换成氙气源，由于氙气属于惰性气体，其分子量比氘气大很多，因此一次置换流程可以将时间控制在5分钟内，整个置换流程约45分钟。
本实施例中其他技术方案均和实施例1中完全相同。
尽管参照上述的设计已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。