用于控制冷冻靶温度扰动的金属泡沫热容装置及冷冻靶

1.本发明属于惯性约束核聚变(icf)靶点火技术领域，具体涉及一种用于控制冷冻靶温度扰动的金属泡沫热容装置及冷冻靶。


背景技术：

2.惯性约束核聚变(inertial confinement fusion，icf)是一种可控核聚变方式，其基本原理是：使用强大的脉冲激光束直接，或间接利用x光光子照射内含氘、氚燃料的微型靶丸的外壳表面。利用表面被烧蚀的材料向外喷射而产生向内聚心的反冲力，将靶丸内的燃料以极高速度均匀对称地压缩至高密度和热核燃烧所需的高温，并在一定的惯性约束时间内，完成核聚变反应，释放出大量的聚变能。
3.在icf点火前，需要通过控制套筒温度场使冷冻靶靶丸内形成表面均匀且光滑的燃料冰层。在冷冻靶燃料冰层制备实验中，与导冷杆相连的制冷机冷头温度为4.2k，套筒与硅冷却臂接触位置为18.7k。由于制冷机为g-m制冷机，其冷头有周期性的温度波动，该温度波动通过导冷杆、硅冷却臂和套筒传递到靶丸和燃料冰层，破坏靶丸温度场均匀性，从而威胁到燃料冰层的均匀性。


技术实现要素：

4.本专利设计了一种安装在冷冻靶导冷路径上来控制冷冻靶靶丸温度波动的泡沫金属热容装置，解决冷冻靶冰层温度受制冷机冷头温度波动影响的问题。
5.为达到上述目的，本发明所述一种用于控制冷冻靶温度扰动的金属泡沫热容装置，包括腔体，腔体前端设置有前密封盖，后端设置有后密封盖，腔体中设置有泡沫金属，腔体内充有流体，所述流体为氢气、氦气或液氦。
6.进一步的，泡沫金属由导热率大于200w/m
·
k的材料制成。
7.进一步的，泡沫金属为泡沫无氧铜。
8.进一步的，泡沫金属的孔隙率大于0.95。
9.进一步的，泡沫金属的孔隙密度为10ppi～40ppi。
10.进一步的，泡沫金属前端和后端与腔体之间设置有垫片。
11.一种用于冷冻靶，包括依次连接的导冷杆、硅冷却臂和套筒，导所述导冷杆第一端与上述的金属泡沫热容装置第一端连接，所述金属泡沫热容装置第二端与制冷机冷头连接，所述套筒内设置有靶丸。
12.进一步的，导冷杆和硅冷却臂通过压块连接。
13.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
14.本发明所述的热容装置内设置有泡沫金属和高比热容流体，利用泡沫金属表面积大的特点来加强其与腔内流体的换热，充分利用流体的热容量对温度波动进行吸收，削弱温度波动，使得在相同的体积下比热容大且质量大的高热容物质在面对相同热能波动时产生的温度波动更小。通过控制导冷路径温度波动来减弱制冷机冷头温度波动影响，在保持
导冷路径传热良好的同时，大幅降低冷头温度波动对冰层温度的影响。
15.进一步的，泡沫金属采用无氧铜制成，提高换热效果。
16.进一步的，所述气体为氦气，在20k以下的超低温环境中，氦气仍然可以保持流体状态以加强换热。
17.进一步的，泡沫金属与腔体之间设置有用于均热的垫片，防止导热旁通。
18.一种冷冻靶，在导冷杆和制冷机冷头之间安装上述热容装置，削弱导冷路径上的温度波动，减弱制冷机冷头温度波动影响，在保持导冷路径良好传热效率的同时，降低冷头温度波动对冰层温度的影响，以保证燃料冰层的均匀性。
附图说明
19.图1为冷冻靶结构图；
20.图2为套筒结构图；
21.图3为泡沫金属热容装置示意图；
22.图4为泡沫金属热容装置剖面图一；
23.图5为泡沫金属热容装置剖面图二；
24.图6为泡沫金属示意图。
25.附图中：1、导冷杆，2、压块，3、硅冷却臂，4、套筒，5、靶丸，6、燃料冰层，7、前密封盖，8、腔体，9、后密封盖，10、泡沫金属，11、第一垫片，12、第二垫片。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
27.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.参照图1，冷冻靶包括导冷杆1、压块2、硅冷却臂3和套筒4。导冷杆1的第一端为圆盘，与制冷机冷头以螺钉连接，第二端通过压块与硅冷却臂3第一端相连，作用是将冷量从冷头传输至硅冷却臂3。硅冷却臂第二端与套筒4连接，硅冷却臂3的作用是将冷量从导冷杆1传输至套筒4，硅冷却臂3和套筒4夹持固定。套筒4是靶丸的容器。导冷杆1的第一端位于两
片硅冷却臂3之间，两片硅冷却臂3外侧为压块2，用至少两个螺栓分别自上至下依次穿过压块2、硅冷却臂3、导冷杆1、硅冷却臂3和压块2，以将导冷杆1、硅冷却臂3固定连接。
29.参照图2，套筒4内设置有靶丸5。在icf点火前，需要通过控制套筒温度场使冷冻靶靶丸5内形成表面均匀且光滑的燃料冰层6。
30.参照图3，本发明提供了一种安装在冷冻靶导冷路径上来控制冷冻靶靶丸温度波动的泡沫金属热容装置，该泡沫金属热容装置安装在导冷杆1和制冷机冷头之间，工作温度区间为-248.15℃以下。
31.泡沫金属热容装置包括腔体8，腔体8前端焊接有前密封盖7，后端焊接有后密封盖9，腔体8中设置有泡沫金属10。腔体8上开设有用于高比热容流体的充注的孔。
32.前密封盖7与导冷杆1通过螺钉固定连接，后密封盖9与制冷机冷头以螺栓固定连接，前密封盖7与腔体8焊接在一起，腔体8与后密封盖9均焊接在一起。前密封盖7和后密封盖9使用导热良好的材料，例如无氧铜，腔体8使用导热不良的材料，例如不锈钢。
33.泡沫金属10热容装置的腔体8内充有高压的高比热容气体用于削弱导冷路径上的温度波动，压力范围是100kpa～500kpa。在20k温度下能保持气体状态的物质只有氢气和氦气，温度为20k、压力为100kpa时，氢气的密度为71.3kg/m3，比热容为9.6j/(g
·
k)，氦气的密度为2.4kg/m3，比热容为5.2j/(g
·
k)，高压的目的是提高密度从而在有限的容积下增大热容量；5.2k低温下可用液体氦。
34.使用氦气作为充注物，原因是氦气在低温下的比热容较大，且凝固点和液化温度是所有元素中最低的，4he的气液相变曲线的临界温度和临界压强分别为5.20k和2.25大气压，一个大气压下的温度为4.215k。在常温下使用不良导热材料就能做到隔绝温度波动，只有在20k以下的超低温环境中，氦气的优点才会凸显出来：1.氦气的液化温度极低，可以保持流体状态以加强换热；2.氦气在超低温环境下比热容较大；另一方面，在超低温环境下，通常对保持温度稳定性需求较小，像冷冻靶实验这种要求温度波动控制在mk级别的情况非常少见。
35.参照图4至图6，腔体8中填充有泡沫金属10，泡沫金属10的周向外表面与腔体8的侧壁相接触，泡沫金属10使用导热率大于200w/m
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的材料，例如无氧铜。泡沫金属10的作用是充分与腔体8中填充的流体接触换热，以增强泡沫金属与高热容流体的换热作用，充分利用流体的热容量对温度波动进行吸收，泡沫金属与高热容流体的换热效果越好，流体对温度波动的吸收效果越好，热容装置对于温度波动的削弱作用越强。泡沫金属是指含有泡沫气孔的金属材料，通过其独特的结构特点，泡沫金属拥有密度小、隔热性能好、隔音性能好以及能够吸收电磁波等良好优点。本发明利用泡沫金属表面积大的特点来加强泡沫金属与腔内填充流体的换热。
36.泡沫金属10前端与前密封盖7之间设置有第一垫片11，泡沫金属10后端与后密封盖9之间设置有第二垫片12。第一垫片11和第二垫片12采用不良导热材料制成，例如不锈钢，用于均热，防止导热旁通，如果使用良好导热材料(如铜)制成的腔体，就会造成导热旁通，导致温度扰动从腔体传播而不经过高热容流体，对温度波动的削弱作用就会很小。
37.泡沫金属10的要求：(1)使用导热率大于200w/m
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k的材料；(2)孔隙率大于0.95，孔隙率指多孔体中所有孔隙的体积与多孔体总体积之比，通常孔隙率越大比表面积越大；(3)孔密度要求10ppi～40ppi，孔密度表征了孔结构的大小，ppi是单位孔隙密度，用来表示
单位英寸长度上的平均孔数，孔密度不能过小，过小会阻隔流动影响换热效果，也不能过大，过大会减小比表面积从而影响换热效果。
38.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。