本發(fā)明屬于核聚變領(lǐng)域，具體涉及一種用于研究材料腐蝕沉積的輻照樣品支架。

背景技術(shù)：

面向等離子體材料（plasma facing material，PFM）是實(shí)現(xiàn)核聚變的關(guān)鍵問題之一。在托卡馬克裝置中，PFM直接面對(duì)高溫等離子體，其服役條件非?？量蹋乙着c等離子體發(fā)生相互作用，發(fā)生改性。等離子體與壁材料相互作用（plasma wall interaction, PWI）的主要機(jī)制是壁材料表面的濺射，蒸發(fā)，吸附/脫附等，研究方向?yàn)椴牧系母g，沉積，雜質(zhì)遷移，滯留等。其中，材料的腐蝕與沉積頗受關(guān)注，原因有四：第一， 壁材料的腐蝕會(huì)嚴(yán)重影響其使用壽命；第二，腐蝕材料產(chǎn)生的雜質(zhì)可以輸運(yùn)進(jìn)入芯部等離子體，導(dǎo)致聚變?nèi)剂系南♂屢约澳芰枯椛鋼p失，從而降低核聚變反應(yīng)發(fā)生的概率；第三，腐蝕的材料粒子可能再次沉積到壁表面上，改變壁材料表面的組分和性質(zhì)。第四，燃料粒子會(huì)與雜質(zhì)粒子共同沉積在材料表面，形成共沉積層。

PWI的研究方法主要是將實(shí)驗(yàn)樣品放入核聚變實(shí)驗(yàn)裝置里，進(jìn)行原位及事后分析。事后分析是在進(jìn)行了一段時(shí)間的等離子體輻照實(shí)驗(yàn)后取出實(shí)驗(yàn)樣品，直接對(duì)樣品進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)相比原位分析較為直接可靠，與其相關(guān)的實(shí)驗(yàn)一般分為短周期實(shí)驗(yàn)和長(zhǎng)周期實(shí)驗(yàn)。長(zhǎng)周期實(shí)驗(yàn)一般通過直接選取第一壁或偏濾器靶板的瓦塊，在整輪等離子體輻照實(shí)驗(yàn)之后取出，再進(jìn)行分析。由于整輪實(shí)驗(yàn)中等離子體放電次數(shù)很多，放電參數(shù)各不相同，等離子體邊界條件大不一樣，及等離子體破裂等情況，給研究邊界等離子體對(duì)材料的腐蝕沉積等行為的物理機(jī)制帶來困難。而短周期實(shí)驗(yàn)一般通過核聚變實(shí)驗(yàn)裝置的窗口，利用樣品傳送桿將樣品送入等離子體邊界區(qū)域，接受給定炮數(shù)及條件的等離子體輻照后，再撤回樣品傳送桿取出樣品，可更深層次地探究等離子體條件影響材料的腐蝕沉積等行為的物理機(jī)制。

事后分析方法通常有掃描電子顯微（scanning electron microscopy，SEM），核反應(yīng)分析法（nuclear reaction analysis，NRA），盧瑟福背散射譜法（rutherford backscattering spectroscopy，RBS）等。利用RBS來測(cè)量材料腐蝕厚度的方法近年才被開發(fā)出來。該方法可得出壁材料的總腐蝕厚度和凈腐蝕厚度，前者是壁材料被腐蝕掉的厚度，后者是壁材料被腐蝕的厚度與其表面沉積厚度之差。在此之前，一般利用光譜法來測(cè)量材料的總腐蝕速率，即由測(cè)量濺射雜質(zhì)的原子譜線的強(qiáng)度轉(zhuǎn)變得出粒子流速率，其得出的數(shù)據(jù)不確定性大。而RBS方法可精確測(cè)量拋光襯底上鍍膜材料的厚度，并通過測(cè)量鍍膜材料輻照前后的厚度，及未鍍膜區(qū)域輻照后所沉積的鍍膜材料厚度研究鍍膜材料腐蝕沉積的機(jī)理。RBS方法通過測(cè)量計(jì)算鍍膜材料輻照前后的厚度差異得出凈腐蝕厚度；測(cè)量未鍍膜區(qū)域輻照后膜材料厚度為再沉積厚度。同時(shí)，若鍍膜區(qū)域足夠小，輻照后鍍膜區(qū)域沉積相對(duì)于腐蝕便可忽略不計(jì)，則可用凈腐蝕厚度表征總腐蝕厚度。該方法相對(duì)于光譜法測(cè)得的總腐蝕速率更為準(zhǔn)確。

RBS方法要求對(duì)短周期實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行事后分析，實(shí)驗(yàn)樣品尺寸形狀不僅受到實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡南拗疲彩艿绞潞蠓治鍪侄蔚南拗?，如上海?fù)旦大學(xué)現(xiàn)代物理所的RBS裝置，要求樣品尺寸最大約為50 mm×25 mm×4 mm。而EAST材料測(cè)試平臺(tái)Material and Plasma Evaluation System（MAPES）雖然可直接開展短周期材料腐蝕沉積實(shí)驗(yàn)，但無法滿足RBS分析手段對(duì)樣品尺寸的要求；且MAPES位于EAST裝置中平面位置，輻照樣品與磁力線夾角非常小，短周期腐蝕效果不明顯，因此，亟需一種可解決以上問題的材料腐蝕沉積實(shí)驗(yàn)樣品支架。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決短周期實(shí)驗(yàn)腐蝕效果不明顯、等離子體參數(shù)不明確、樣品尺寸無法滿足事后分析RBS手段的要求等問題，提供一種可通過探針測(cè)量等離子體參數(shù)，并安裝小尺寸樣品的輻照樣品支架，滿足短周期材料腐蝕沉積實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)條件和事后分析的要求。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種用于研究核聚變材料腐蝕沉積的輻照樣品支架，其特征在于：包括有支架底座和固定壓板，支架底座前端呈三棱柱形且截面為等腰三角形，支架底座的兩個(gè)相同側(cè)面為左右對(duì)稱的離子側(cè)和電子側(cè)表面，支架底座的離子側(cè)和電子側(cè)表面上分別開有方形槽，方形槽中匹配安裝有固定壓板，固定壓板上開設(shè)有用來匹配安裝樣品A和樣品B的兩個(gè)臺(tái)階孔，樣品A和樣品B的底端分別設(shè)有臺(tái)階；支架底座的離子側(cè)和電子側(cè)表面上位于方形槽的正下方分別開有用于測(cè)量樣品A和樣品B處的等離子體參數(shù)的探針孔，支架底座上還設(shè)有用于與樣品架連接的連接孔。

所述的一種用于研究核聚變材料腐蝕沉積的輻照樣品支架，其特征在于：所述樣品A和樣品B表面同時(shí)留有鍍膜區(qū)和非鍍膜區(qū)，鍍膜區(qū)域位于表面中心，樣品A鍍膜面積大于1cm2，樣品B鍍膜面積約小于1 mm2，樣品A用于表征材料的凈腐蝕速率，樣品B用于表征材料的總腐蝕速率。因?yàn)樾∮?mm2情況下，再沉積效果可以忽略，所以樣品B的腐蝕速率可以表征為該膜材料在對(duì)應(yīng)等離子體參數(shù)條件下的總腐蝕速率，而樣品A的腐蝕速率可以表征該膜材料在對(duì)應(yīng)等離子體參數(shù)條件下的凈腐蝕速率。

所述的一種用于研究核聚變材料腐蝕沉積的輻照樣品支架，其特征在于：所述的樣品A和樣品B的鍍膜區(qū)鍍膜材料為需要在托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并需要事后分析的面向等離子體材料。

所述的一種用于研究核聚變材料腐蝕沉積的輻照樣品支架，其特征在于：所述的面向等離子體材料為石墨、鉬或鎢。

所述的一種用于研究核聚變材料腐蝕沉積的輻照樣品支架，其特征在于：所述探針孔用于安裝朗繆爾探針，分別測(cè)得離子側(cè)和電子側(cè)的等離子體參數(shù)。

支架底座前端做成三棱柱形，可以形成兩個(gè)左右對(duì)稱的可安裝樣品的面向等離子體的面，增大入射角，從而增大腐蝕量。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

本發(fā)明可增大樣品腐蝕量，利用探針測(cè)得邊界等離子體參數(shù)，結(jié)合RBS分析方法精確測(cè)算樣品腐蝕沉積速率及分布。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中輻照樣品支架的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為輻照樣品支架的俯視圖。

圖3為固定壓板形狀示意圖。

其中，1.支架底座；2.固定壓板；3.樣品A；4.樣品B；5.方形槽；6. 探針孔；7. 連接孔。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，一種用于研究核聚變材料腐蝕沉積的輻照樣品支架，包括有支架底座1和固定壓板2，支架底座1呈三棱柱形且截面為等腰三角形，支架底座的兩個(gè)相同側(cè)面為左右對(duì)稱的離子側(cè)和電子側(cè)表面，支架底座1的離子側(cè)和電子側(cè)表面上分別開有方形槽5，方形槽5中匹配安裝有固定壓板2，固定壓板2上開設(shè)有用來匹配安裝樣品A3和樣品B4的兩個(gè)臺(tái)階孔，樣品A3和樣品B4的底端分別設(shè)有臺(tái)階；支架底座1的離子側(cè)和電子側(cè)表面上位于方形槽5的正下方分別開有用于測(cè)量樣品A3和樣品B4處的等離子體參數(shù)的探針孔6，支架底座1上還設(shè)有用于與樣品架連接的連接孔7，輻照樣品支架通過連接孔7與樣品架用螺栓連接，輻照實(shí)驗(yàn)開始前通過樣品傳送桿將輻照樣品支架，樣品及探針?biāo)腿胪锌R克裝置刮削層區(qū)域接受給定炮數(shù)及條件的等離子體輻照，輻照期間記錄等離子體參數(shù)信息，輻照結(jié)束后，收回樣品傳送桿并取出樣品，進(jìn)行RBS分析。

如圖2所示，支架底座1前端做成三棱柱形，可以形成兩個(gè)左右對(duì)稱的可安裝樣品的面向等離子體的面，增大入射角，從而增大腐蝕量。三棱柱形前端截面等腰三角形底角大小視實(shí)驗(yàn)要求而定。

如圖3所示，固定壓板2為開有兩個(gè)臺(tái)階孔的方形板，臺(tái)階孔與樣品匹配，固定壓板2表面與樣品表面位于同一高度。固定壓板2還可根據(jù)實(shí)驗(yàn)具體要求設(shè)計(jì)成其他結(jié)構(gòu)，并不局限。

如圖1所示，樣品A3和樣品B4，襯底表面膜的材料即為所研究的面向等離子體材料，材質(zhì)可為石墨，鉬，鎢等各種需要在托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并需要事后分析的材料。

如圖1所示，樣品A3和樣品B4表面同時(shí)留有鍍膜區(qū)和非鍍膜區(qū)，鍍膜區(qū)域位于表面中心，樣品A3鍍膜面積大于1 cm2；樣品B4鍍膜面積約小于1 mm2。樣品B4用于表征材料的總腐蝕速率，樣品A3用于表征材料的凈腐蝕速率。因?yàn)樾∮?mm2情況下，再沉積效果可以忽略，所以樣品B4腐蝕速率可以表征該材料在對(duì)應(yīng)等離子體參數(shù)條件下的總腐蝕速率，而鍍膜面積大于1cm2的樣品A3的腐蝕速率可以表征該材料在對(duì)應(yīng)等離子體參數(shù)條件下的凈腐蝕速率。

探針可以安裝在探針孔6內(nèi)，通過電纜與探針電源及探針數(shù)據(jù)采集設(shè)備相連。輻照實(shí)驗(yàn)開始前即可通電采集邊界等離子體參數(shù)信息。