一种真空低温平台及冷冻靶靶丸充气及冻制方法

1.本发明涉及低温冷冻靶的靶丸充气及冻制技术领域，具体地，涉及一种真空低温平台及冷冻靶靶丸充气及冻制方法。


背景技术：

2.在能源问题愈发成为关系各国安全和社会稳定的核心问题的时代背景下，受控热核聚变将有可能为人类提供丰富、经济、安全的能源。其中惯性约束聚变是一种有望实现受控热核聚变的聚变方式。惯性约束聚变的基本思想是向球形靶丸燃料层提供能量使之变成等离子体并做极快地向心运动，从而在自身惯性的约束下被压缩到核聚变条件。
3.这一过程中的主要靶丸燃料层材料为氘氚等。而无论是直接激光驱动供能还是间接驱动供能，icf都依赖于厚壳低温氘氚球壳靶丸液体或固体燃料层。目前形成这种厚壳低温氘氚冷冻靶靶丸球壳的方式主要分为直接借助外部超低温环境冻制沉积，以及借助吸附载体冻制沉积。而后一种方式由于其设计简单且吸附效果好被广泛关注。t.norimatsu等人发表的题为“issue in capsule fabrication and injection into a wet-walled ife reactor”，du kai等人发表的题为“低温冷冻靶用聚合物泡沫球壳研制”，以及r.l.mccrory等人发表题为“direct-drive inertial confinement fusion research at the laboratory for laser energetics:charting the path to thermonuclear ignition”等多项工作中均采用了泡沫微球辅助吸附形成燃料层。
4.低温球壳靶丸燃料层无论是直接冻制沉积还是辅助吸附沉积的方式，都需要外部的低温环境以及合适的控温冻制策略。2020年西南科技大学张勇等人利用solidworks及有限元模拟，探究了冷冻靶对冷冻罩系统温度控制的要求，相关工作成果发表在“第十二届全国核靶技术学术交流会”。2021年西安交通大学陈冠华等人基于用户自定义函数和离散坐标辐射模型，进行了冷冻靶屏蔽罩温度扰动动态特性分析研究。2022年西安交通大学李翠等人建立了离散坐标辐射模型的三维数学模型，以探究微充气管内残留燃料冰对冷冻靶控温过程的影响，研究结果表明靶丸表面最大温差随管内燃料冰长度增长先降低后升高，当管内燃料冰长度为0.09mm时，可达到较好的温控效果。
5.然而以上工作及国内外各项对低温控温的工作多基于理论模型和仿真结果展开分析，相比之下基于实验验证的冷冻靶工作成果则存在较大不足。现亟需一种基于真空低温平台的冷冻靶靶丸充气及冻制装置。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于真空低温平台的冷冻靶靶丸充气及冻制方法。
7.根据本发明的第一方面，提供一种真空低温平台，包括：
8.真空罩，所述真空罩位于外层，为真空低温平台提供机械外形和物理支撑，其内部空间构成真空罩腔体；
9.真空泵，所述真空泵与所述真空罩连接，为所述真空罩腔体提供纯净环境和真空绝热；
10.冷屏罩，所述冷屏罩位于所述真空罩内层，用于阻隔所述真空泵外的室温环境，其内部空间构成冷屛罩腔体，为靶丸气体提供一级温控；
11.所述真空罩和冷屛罩设有可拆卸法兰、进气阀和可拆卸腔体，在所述可拆卸腔体上设有冷冻靶架的观察窗；
12.低温铜块，所述低温铜块位于所述冷屛罩内；
13.靶架夹具，所述靶架夹具一端固定于所述低温铜块侧壁，另一端用于夹持冷冻靶架并为其传导所述低温铜块的温度，提供一级温控；
14.连接软管，所述连接软管从所述进气阀处将所述输入气体引导至所述冷冻靶架处，并且，至少有一根连接软管经过所述低温铜块。
15.优选地，所述靶架夹具为铜金属或镀金铜夹具，一端与所述低温铜块螺纹紧固连接，另一端与冷冻靶架直接夹持接触。
16.优选地，所述观察窗位于所述右侧可拆卸腔体上，开窗直径为1-5英寸，分别位于顶部、前部、后部，用于显微镜成像窗口、x射线相称成像、红外均化观察。
17.优选地，所述可拆卸法兰包括两种，一种是便于所述真空罩和冷屛罩安装的可拆卸法兰，其安装在所述真空罩的顶部或者底部；另一种是便于可拆卸腔体安装的可拆卸法兰，其安装在所述真空罩的右侧；
18.所述进气阀包括两种，一种是靶丸气体进气阀，其安装在所述真空罩的顶部，若顶部存在可拆卸法兰，则安装于所述顶部的可拆卸法兰处；另一种是液氦进气阀，其与已有制冷系统连接，安装于所述真空罩的侧面。
19.优选地，所述连接软管选用聚酰亚胺软管，其缠绕低温铜块的缠绕圈数以及缠绕距离依据冻制过程的观察窗获得的结果调整。
20.根据本发明的第二个方面，提供一种基于上述的真空低温平台的冷冻靶靶丸充气及冻制方法，包括：
21.从进气阀通入燃料气体，使之经过冷屏罩进行一级温控；
22.所述燃料气体通过所述低温铜块进行二级温控，流至冷冻靶架时为液化状态并浸润冷冻靶内双锥；
23.从进气阀通入液氦气体到达冷冻靶架，增大冷冻靶内气压的同时降低所述燃料气体温度，实现三级温控，使所述燃料气体固化。
24.优选地，燃料气体由燃料气罐经高精度流量计控制和绝对压力传感器监测流入低温真空平台顶部进气阀；
25.顶部进气阀钢管穿过冷屏罩腔体顶部通孔进行靶丸气体一级温控；
26.随后经聚酰亚胺的靶丸气路软管连接，并将靶丸气路软管贴近低温铜块进行靶丸气体二级温控，燃料气体以液化状态浸润冷冻靶内双锥；
27.液氦由液氦罐经高精度流量计控制和高精度薄膜规监测流入低温真空平台腔体内部进气阀，随后经聚酰亚胺的液氦气路软管连接，输入到冷冻靶内双锥处，对液化气体降温，实现三级温控。
28.优选地，所述燃料气体为氘气、氚气、氢气或混合气体。
29.优选地，所述高精度流量计的性能指标包括：气体流量控制范围为0-5ml/min，精度为
±
1％fs；
30.所述绝对压力传感器的性能指标包括：量程为0-1.6
×
105pa，精度为0.01％fs；
31.所述高精度薄膜规的性能指标包括：量程为10-1
×
105pa，精度为0.15％fs。
32.优选地，所述冷屏罩的温度为50k，所述低温铜块温度为5-20k。
33.与现有技术相比，本发明具有如下至少之一的有益效果：
34.1、本发明实施例中的真空低温平台，能够提供三级温控获得较低温度和纯净的真空环境；冷屏罩的设立隔绝了低温铜块的超低温，降低了操作人员的冻伤风险，提高了设备安全性；且冷屏罩因此自身也获得了缓冲温度，可用于控温缓冲。
35.2、本发明实施例中的真空低温平台，提供了多种功能，包括可用于红外均化观察、x射线相称成像和显微镜成像的观察窗；该低温真空平台顶部的可拆卸法兰和右侧腔体的可拆卸法兰保障了气路组装和拆卸的便利，使平台具备一定灵活性。
36.3、本发明实施例中的冷冻靶靶丸充气及冻制方法，冷冻靶架经靶架夹具进行一级温控，靶丸气体先后经过冷罩屏、低温铜块、液氦三级温控，且低温铜块的温控效果由软管缠绕情况可调。多重温控策略保障了冻制过程的顺利进行。
37.4、本发明实施例中的冷冻靶靶丸充气及冻制方法，配备了气体流量计和气体压力计，与显微成像一起构成了较完备的控制和监测机制。
附图说明
38.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
39.图1a为本发明一实施例的真空低温平台整体结构俯视图；
40.图1b为本发明一实施例的腔体剖面图；
41.图2为本发明另一实施例的真空低温平台整体结构示意图；
42.图3为本发明一实施例的基于真空低温平台的冷冻靶靶丸充气及冻制方法流程图；
43.图4为本发明另一实施例的基于真空低温平台的冷冻靶靶丸充气及冻制方法流程图。
44.图5a为一实施例中冷冻靶架的俯视图；图5b为其前视图。
45.图中：101为靶架夹具，102为低温铜块，103为观察窗，104为真空罩，105为冷屏罩，106为kf25光学法兰，107为进气阀，108为顶部可拆卸法兰，109为右侧可拆卸法兰，110为聚酰亚胺软管；203为观察窗，204为真空罩，206为kf25光学法兰，207为进气阀，208为底部可拆卸法兰，211为后端制冷系统。
具体实施方式
46.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
47.本发明提供一个实施例，一种真空低温平台，包括真空罩104、真空泵、冷屏罩105、低温铜块102、靶架夹具101和连接软管110。真空罩104位于外层，为真空低温平台提供机械外形和物理支撑，其内部空间构成真空罩腔体；真空泵与真空罩104连接，为真空罩腔体提供纯净环境和真空绝热；冷屏罩105位于真空罩104内层，用于阻隔真空泵外的室温环境，其内部空间构成冷屛罩腔体，为靶丸气体提供一级温控；真空罩104和冷屛罩105设有可拆卸法兰，可拆卸法兰配备进气阀；真空罩腔体和冷屛罩腔体的一侧为可拆卸腔体，在可拆卸腔体上设有冷冻靶架的观察窗103；低温铜块102位于冷屛罩105内；靶架夹具101一端固定于低温铜块102侧壁，另一端用于夹持冷冻靶架并为其传导低温铜块的温度，提供一级温控；连接软管110从进气阀处将输入气体引导至冷冻靶架处，并且，至少有一根连接软管经过低温铜块102。
48.本实施例中的真空低温平台，能够提供三级温控获得较低温度和纯净的真空环境；冷屏罩的设立隔绝了低温铜块的超低温，降低了操作人员的冻伤风险，提高了设备安全性；且冷屏罩因此自身也获得了缓冲温度，可用于控温缓冲。本实施例中的真空低温平台，提供了多种功能，包括可用于红外均化观察、x射线相称成像和显微镜成像的观察窗；该低温真空平台顶部的可拆卸法兰和右侧腔体的可拆卸法兰保障了气路组装和拆卸的便利，使平台具备一定灵活性。
49.在本发明的一个优选实施例中，靶架夹具101为铜金属或镀金铜夹具，一端与低温铜块102螺纹紧固连接，另一端与冷冻靶架直接夹持接触。观察窗103位于右侧可拆卸腔体上，开窗直径为1-5英寸，分别位于顶部、前部、后部，用于显微镜成像窗口、x射线相称成像、红外均化观察。可拆卸法兰包括两种，一种是便于真空罩和冷屛罩安装的可拆卸法兰108，其安装在真空罩的顶部或者底部；另一种是便于可拆卸腔体安装的可拆卸法兰109，其安装在真空罩的右侧。进气阀包括两种，一种是靶丸气体进气阀107，其安装在真空罩的顶部，若顶部存在可拆卸法兰，则安装于顶部的可拆卸法兰处；另一种是液氦进气阀，其与已有制冷系统连接，安装于真空罩104的侧面。连接软管选用聚酰亚胺软管110，其缠绕低温铜块的缠绕圈数以及缠绕距离依据冻制过程的观察窗获得的结果调整。
50.为了便于理解，本发明提供两个完整的真空低温平台的优选实施例。第一个，请参见图1。参照图1a，该真空低温平台包括两个分布在前后腔体的kf25法兰106，用于插入光纤，便于其他光学实验的进行。设置于平台顶部的可拆卸法兰107，该法兰上方有四个进气阀108，该可拆卸法兰107设立的主要目的是为了增加进气阀108的灵活性，方便安装和拆卸。平台最外部由真空罩104密封，真空罩104右端与带有观察窗103的腔体通过右侧可拆卸法兰109连接，共同构成了真空罩腔体结构。该右侧可拆卸法兰109设立的主要目的是方便聚酰亚胺软管110与冷冻靶架的安装。参照图1b，冷屏罩105位于真空罩104的内部，且右侧由可拆卸法兰与右侧腔体连接共同构成了冷屏罩腔体结构。冷屏罩105与真空罩104之间的间隙为1cm。低温铜块102与顶部可拆卸法兰108相对应，右侧壁由螺纹紧固的方式连接有靶架夹具101，该夹具长度为7cm。
51.第二个，请参照图2，该真空低温平台包括与前一实施例中设计相同的kf25法兰206以及观察窗203。其中kf25法兰的位置可视腔体内空间资源加以调整，并无特定要求。四个进气阀207分别分布于顶部、前方和背部，分散的进气阀布局有利于对低温铜块的充分缠绕，然而另一方面进气阀207以固定形式与真空罩204焊接。底部可拆卸法兰为真空低温平
台和可能存在的气路调整提供一定的灵活性。真空罩204与右侧腔体做一体化加工方式，与前述实施例中采用右侧可拆卸法兰109连接的方式不同。需特别说明的是，图2设计装置的内部冷屏罩也采用一体化加工方式。本实施例中一体化腔体提供了更好的密闭性能，另一方面降低了真空低温平台的操作灵活性。后端制冷系统211为低温铜块提供制冷，后端制冷系统较为成熟，在本实施中并不作限制。
52.基于相同的发明构思，本发明提供一种基于上述真空低温平台的冷冻靶靶丸充气及冻制方法，包括：
53.s01，从进气阀通入燃料气体，使之经过冷屏罩实现一级温控；
54.s02，燃料气体经过低温铜块实现二级温控，随后流至冷冻靶架时为液化状态并浸润冷冻靶内双锥的泡沫球壳；
55.s03，从进气阀通入液氦气体到达冷冻靶架，增大冷冻靶内气压的同时进一步降低燃料气体温度，实现三级温控过程，使燃料气体固化。
56.在本发明的一个优选实施例中，实施s01和s02。具体的，参照图1、图3和图4。氘氚燃料气罐经高精度流量计控制和绝对压力传感器监测流入真空低温平台顶部气阀107。顶部气阀钢管穿过温度为50k附近的冷屏罩腔体105顶部通孔完成靶丸气体的一级温控过程，随后经特制聚酰亚胺软管110连接，并将聚酰亚胺软管贴近低温铜块102进行靶丸气体二级温控。
57.在本发明的一个优选实施例中，实施s03，通入液氦气体，增大冷冻靶内气压的同时进一步降低燃料气体温度至凝固点以下，实现三级温控过程，使燃料气体固化。另一方面为了维持恒定的气压，部分气化的靶丸燃料气体和液氦气体通过真空泵抽出。
58.一较佳实施例中，靶丸燃料气体为氕气、氘气、氚气、氢气(即前述三种气体的自然混合状态)。
59.一较佳实施例中，低温铜块温度在5-10k，而靶丸燃料气体固化温度在20k附近，为了防止靶丸气体在二级温控时固化而堵塞气路，可选择性地在铜块和聚酰亚胺软管间贴附泡沫板等阻隔物。
60.一较佳实施例中，高精度流量计采用的燃料流量计型号为“cs200a 5sccm d23mm 485”，绝对压力传感器的型号为“rps/dps 811a-tb-a2-cc-h0-rf-3.5bar-7”。液氦由液氦罐经高精度流量计控制和高精度薄膜规监测流入低温真空平台腔体内部气阀，随后经特制聚酰亚胺软管连接，本实施例中液氦流量计型号为“cs200a10sccm he 3mm 485”61.一较佳实施例中，靶丸气路软管和液氦气路软管固定至冷冻靶架对应位置，参照图3中冷冻靶架的充气位置，图4为另一冷冻靶架的充气位置。本实施例并不限定冷冻靶架的结构，气路的设置较为常规，充气气路与冷冻靶架的连接可视冷冻靶架的具体结构调整，图5a和图5b为本发明一实施例中的冷冻靶架结构图，靶架支撑壁采用硅材料制成，靶架总长度为4-7cm。
62.冻制过程的关键因素首先在于控制燃料气体的流速以及路径长度，使之通过一级温控和二级温控时得到充分降温，同时又未达到固化温度。为此上述实施例至少存在三点益处：1、由聚酰亚胺软管对低温铜块缠绕，便于对充气路径长度的控制；2、三级梯度温控策略最大程度减小了燃料气体液化及固化对超低温铜块的依赖性，避免过度冻制风险的同时允许在低温铜块间增加泡沫板，以灵活调节冻制温度；3、低温平台的可拆卸法兰为前述两
点益处提供了设备灵活操作上的可行性。
63.关键因素其次在于控制液氦的通入量以及真空泵的抽取速率，使气压和温度维持在燃料气体凝固点。上述实施例中提供的顶部观察窗可用于显微镜实时成像，为研究人员调节真空泵抽取速率和燃料气体及液氦的通入量提供了指导。
64.下面结合具体实施例做说明，将会更详细地展现上述益处：
65.实施例1：
66.基于图1所示真空低温平台，该真空低温平台具备顶部和右侧两个可拆卸法兰，四个进气阀位于顶部可拆卸法兰上。在平台顶部观察窗固定一台超景深显微镜，用于x射线相称成像和红外均化观察。冷冻靶架采用图5所示结构，长度为5cm。金锥进气孔采用图3所示装置。
67.安装冷冻靶架时将顶部和右侧可拆卸法兰卸下，首先将冷屏罩和真空罩与后端制冷系统连接，随后将顶部进气阀与顶部法兰连接，并将聚酰亚胺软管与进气阀的1/8钢管连接，并用胶带将聚酰亚胺软管与低温铜块贴附后引至观察窗处，贴附长度为5cm，并在聚酰亚胺软管与低温铜块之间间隔0.5mm的泡沫板；随后将顶部法兰与真空罩连接。将靶架夹具与低温铜块右侧壁紧固，并将冷冻靶架与靶架夹具连接，随后将右侧真空罩腔体和冷屏罩腔体通过右侧法兰与主体腔体连接。至此气路和冷冻靶架安装完毕并形成气密腔体。
68.将氕气燃料气罐通入顶部气阀，控制流量计的气体通入量，同时保证燃料气路压力在安全范围内。在1/8气阀钢管穿过冷屏罩进行一级温控后，将聚酰亚胺软管与1/8钢管连接。将聚酰亚胺软管贴附低温铜块，且不对低温铜块进行缠绕，随后将软管接入冷冻靶架。将氕气分别通入上下两个金锥尖端内部，金锥尖端上方放置有辅助吸附燃料气体的泡沫球壳。在金锥尖端外部分别进行液氦的充入，以及真空泵气体的抽离。具体的，在泡沫球壳上方进行液氦的抽离，在金锥外环进行液氦的充入，在双金锥尖端中心进行燃料气体的抽离。
69.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。