本發(fā)明涉及一種主動(dòng)冷卻耐高溫電絕緣防腐蝕粒子流熱頭探針屬于聚變工程領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在不同的核聚變實(shí)驗(yàn)托卡馬克裝置上，科學(xué)家先后選擇石墨、碳纖維復(fù)合材料、鎢等作為偏濾器靶板的面對(duì)等離子體材料，這些材料經(jīng)過科學(xué)家長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)研究，聚變界普遍認(rèn)為鎢或者其合金最有希望作為今后聚變堆偏濾器面向等離子體材料。限制器位形相對(duì)比較簡(jiǎn)單，它可以把等離子體與壁相互作用的區(qū)域集中到特殊設(shè)計(jì)的限制器表面，但是刮削層（中的熱流與高能粒子會(huì)造成限制器材料較強(qiáng)的刻燭，這些來自限制器的雜質(zhì)粒子很容易污染芯部等離子體。偏濾器的實(shí)質(zhì)就是使托卡馬克中產(chǎn)生些開放磁力線（面），使之形成種具有磁分離面的特殊磁場(chǎng)位形，在磁分離面里面是等離子體主約束區(qū)，外面就是具有開放磁力線（面）的刮削層區(qū)域。由于帶電粒子沿磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的速度要比橫越磁場(chǎng)的速度大得多，從等離子體中擴(kuò)散出來的粒子或從第壁處產(chǎn)生的雜質(zhì)大都被這些開放磁力線掃到偏濾器室中去了。偏濾器巳經(jīng)成為現(xiàn)代磁約束聚變裝置的關(guān)鍵部件之，它是聚變裝置中熱流和粒子流的收集器和交換器。

裝置運(yùn)行期間面對(duì)等離子體材料將受到高能離子、電子和中性粒子的轟擊，導(dǎo)致壁材料原子作為雜質(zhì)進(jìn)入等離子體，這也將縮短壁材料的使用壽命。除了長(zhǎng)脈沖運(yùn)行，來自等離子體的高強(qiáng)度粒子流、熱流以及破裂、邊緣局域模和起弧等瞬態(tài)事件也會(huì)對(duì)第一壁造成很大損傷。采用三探針陣列的偏濾器靶板探針診斷，可以測(cè)量偏濾器區(qū)域的電子密度、電子溫度、壓強(qiáng)、靶板表面入射粒子通量以及熱通量的時(shí)空分布演化，進(jìn)而為研究偏濾器物理、等離子體與器壁相互作用提供重要信息。在east托卡馬克裝置上，以前的全石墨偏濾器靶板探針診斷為等離子體所naturephysics、physicalreviewletters、nuclearfusion等一系列頂尖物理類科技論文的發(fā)表提供了重要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)也為等離子體的位形控制提供了非常直觀的信息，因此偏濾器靶板探針是一種非常重要的等離子體診斷基本工具。

所以，對(duì)于偏濾器和靶板的粒子流和熱流分布情況的檢測(cè)非常重要，目前偏濾器和靶板離子飽和流、電子溫度、電子密度和熱流的檢測(cè)通用方法為探針檢測(cè)。為提高耐高溫特性，探針前端使用鎢、石墨、碳纖維復(fù)合材料等耐高溫材料，但不論何種材料，在面對(duì)聚變裝置中1~20mw/cm²的熱流量時(shí)都無法進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)，都極易在短時(shí)間內(nèi)燒毀。由此，偏濾器和靶板探針的短脈沖及不能耐高溫特性成為制約探針發(fā)展的主要瓶頸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為解決現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種可長(zhǎng)時(shí)間使用的耐高溫高強(qiáng)度偏濾器和靶板粒子流檢測(cè)探針。該探針結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，強(qiáng)度好，冷卻效率高，工藝優(yōu)良，成本低廉，能有效滿足聚變工程、高能物理和加速器物理中使用的偏濾器和靶板粒子流檢測(cè)探針。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種主動(dòng)冷卻耐高溫電絕緣防腐蝕粒子流熱頭探針，其特征在于：包括有位于前端且用于與等離子體接觸的鎢瓦，鎢瓦與銅片緊密連接，銅片下部設(shè)置有柱熱沉，柱熱沉內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu)，柱熱沉的內(nèi)腔中安裝有同軸的水冷內(nèi)軸，水冷內(nèi)軸內(nèi)部和外部分別分布有旋向相反的內(nèi)螺旋片、外螺旋片，水冷內(nèi)軸的下端連接有進(jìn)液管，柱熱沉的下端連接有出液管；冷卻介質(zhì)從進(jìn)液管進(jìn)入水冷內(nèi)軸內(nèi)部，通過內(nèi)螺旋片向前旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，直接到達(dá)柱熱沉的前端內(nèi)部，經(jīng)過換熱后再通過外螺旋片向后旋轉(zhuǎn)流出，進(jìn)而通過出液管導(dǎo)出。

所述的一種主動(dòng)冷卻耐高溫電絕緣防腐蝕粒子流熱頭探針，其特征在于：所述鎢瓦安裝于偏濾器縫隙或靶板孔洞中，若鎢瓦安裝于偏濾器縫隙中，鎢瓦前部與偏濾器平齊或略高于偏濾器；若鎢瓦安裝于靶板孔洞中，鎢瓦前部與偏濾器平齊或略高于靶板。

所述的一種主動(dòng)冷卻耐高溫電絕緣防腐蝕粒子流熱頭探針，其特征在于：所述柱熱沉采用鉻鋯銅材料制成。

所述的一種主動(dòng)冷卻耐高溫電絕緣防腐蝕粒子流熱頭探針，其特征在于：所述柱熱沉內(nèi)部的空腔為內(nèi)錐形腔體。

所述的一種主動(dòng)冷卻耐高溫電絕緣防腐蝕粒子流熱頭探針，其特征在于：所述水冷介質(zhì)為水。

所述的一種主動(dòng)冷卻耐高溫電絕緣防腐蝕粒子流熱頭探針，其特征在于：所述水冷內(nèi)軸內(nèi)部為進(jìn)水水道，水冷內(nèi)軸外部與柱熱沉之間空間為回水水道。

所述的一種主動(dòng)冷卻耐高溫電絕緣防腐蝕粒子流熱頭探針，其特征在于：所述外螺旋片為外螺旋薄片，外螺旋薄片與水冷內(nèi)軸為一體結(jié)構(gòu)，外螺旋薄片的外尺寸與柱熱沉的空腔緊密貼合，回水水流只能從多道外螺旋薄片之間的空間流出，形成旋轉(zhuǎn)出水。

所述的一種主動(dòng)冷卻耐高溫電絕緣防腐蝕粒子流熱頭探針，其特征在于：所述內(nèi)螺旋片為螺旋擾流片，螺旋擾流片的旋向與外螺旋薄片的旋向相反，在進(jìn)水壓力的推動(dòng)下，強(qiáng)迫進(jìn)水旋轉(zhuǎn)向前進(jìn)入冷卻柱熱沉前端內(nèi)部。

所述的一種主動(dòng)冷卻耐高溫電絕緣防腐蝕粒子流熱頭探針，其特征在于：所述柱熱沉回水水道下部與出液管之間連接有錐拔段，錐拔段的出水口比進(jìn)水口大，在進(jìn)水壓力的推動(dòng)下，回水水道不會(huì)對(duì)回水水流造成任何阻力。

所述的一種主動(dòng)冷卻耐高溫電絕緣防腐蝕粒子流熱頭探針，其特征在于：所述進(jìn)液管、出液管末端都焊接有絕緣子，絕緣子外部?jī)啥吮３?0kv以上的耐壓等級(jí)。

所述的一種主動(dòng)冷卻耐高溫電絕緣防腐蝕粒子流熱頭探針，其特征在于：探針電信號(hào)從錐拔段由補(bǔ)償導(dǎo)線導(dǎo)出。

所述的一種主動(dòng)冷卻耐高溫電絕緣防腐蝕粒子流熱頭探針，其特征在于：所述柱熱沉的下端外壁上設(shè)有臺(tái)階面，柱熱沉上位于偏濾器或靶板的下端面與柱熱沉的臺(tái)階面之間套裝有絕緣管，保護(hù)探針不受偏濾器或靶板的電位影響，便于探針電路的導(dǎo)出，提高診斷準(zhǔn)確率。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

本發(fā)明探針安裝簡(jiǎn)便、冷卻效率高、絕緣性能良好、抗干擾性好、診斷準(zhǔn)確率高，可廣泛應(yīng)用于聚變工程、核電站、高能物理、加速器、鍋爐、壓力容器、壓力管道領(lǐng)域。

附圖說明

圖1所示為一種主動(dòng)冷卻耐高溫電絕緣防腐蝕粒子流熱頭探針截面圖。

圖2所示為一種主動(dòng)冷卻耐高溫電絕緣防腐蝕粒子流熱頭探針三維圖。

圖中：1為偏濾器或靶板，2是鎢瓦，3是銅片，4是柱熱沉，5為內(nèi)螺旋片，6為水冷內(nèi)軸，7為錐拔段，8為進(jìn)液管，9為進(jìn)水絕緣子，10為出水絕緣子，11為管狀絕緣材料，12為出液管。

具體實(shí)施方式

參見圖1，偏濾器或靶板1安裝于聚變實(shí)驗(yàn)裝置、高能物理和加速器物理中，一種主動(dòng)冷卻耐高溫電絕緣防腐蝕粒子流熱頭探針，包括有位于前端且用于與等離子體接觸的鎢瓦2，鎢瓦2與銅片3緊密連接，銅片3下部設(shè)置有柱熱沉，鎢瓦2、銅片3與柱熱沉4通過特種高強(qiáng)度高貼合率連接方式結(jié)合為一個(gè)整體。柱熱沉4外壁上設(shè)有臺(tái)階面4a，柱熱沉4內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu)構(gòu)成內(nèi)錐形腔體4b，臺(tái)階面4a壓緊管狀絕緣材料11至件偏濾器或靶板1下表面。柱熱沉4的內(nèi)腔中安裝有同軸的水冷內(nèi)軸6，水冷內(nèi)軸6內(nèi)部和外部分別分布有旋向相反的內(nèi)螺旋片5、外螺旋片6a，水冷內(nèi)軸6的下端連接有進(jìn)液管8，柱熱沉4的下端連接有出液管12；冷卻介質(zhì)從進(jìn)液管8進(jìn)入水冷內(nèi)軸6內(nèi)部，通過內(nèi)螺旋片5向前旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，直接到達(dá)柱熱沉4的前端內(nèi)部，經(jīng)過換熱后再通過外螺旋片6a向后旋轉(zhuǎn)流出，進(jìn)而通過出液管12導(dǎo)出。

鎢瓦2安裝于偏濾器縫隙或靶板1孔洞中，若鎢瓦2安裝于偏濾器縫隙中，鎢瓦前部與偏濾器平齊或略高于偏濾器；若鎢瓦安裝于靶板孔洞中，鎢瓦前部與偏濾器平齊或略高于靶板。

柱熱沉4采用鉻鋯銅材料制成。柱熱沉4內(nèi)部的空腔為內(nèi)錐形腔體4b。水冷介質(zhì)為水。

水冷內(nèi)軸6內(nèi)部為進(jìn)水水道，水冷內(nèi)軸6外部與柱熱沉4之間空間為回水水道。

外螺旋片6a為外螺旋薄片，外螺旋薄片與水冷內(nèi)軸6為一體結(jié)構(gòu)，外螺旋薄片的外尺寸與柱熱沉4的空腔緊密貼合，回水水流只能從多道外螺旋薄片之間的空間流出，形成旋轉(zhuǎn)出水。內(nèi)螺旋片5為內(nèi)螺旋薄片，內(nèi)螺旋薄片與水冷內(nèi)軸6為一體結(jié)構(gòu)，在進(jìn)水壓力的推動(dòng)下，強(qiáng)迫進(jìn)水旋轉(zhuǎn)向前進(jìn)入冷卻柱熱沉4前端內(nèi)部。

柱熱沉4回水水道下部與出液管11之間連接有錐拔段7，柱熱沉4的內(nèi)錐形腔體4b下部與錐拔段7焊接為一個(gè)整體，錐拔段7的出水口比進(jìn)水口大，在進(jìn)水壓力的推動(dòng)下，回水水道不會(huì)對(duì)回水水流造成任何阻力。

進(jìn)液管8、出液管11末端都焊接有絕緣子，分別為進(jìn)水絕緣子9、出水絕緣子10，絕緣子外部?jī)啥吮３?0kv以上的耐壓等級(jí)。錐拔段7下部有安裝臺(tái)階7a和安裝口7b，安裝臺(tái)階7a上焊接進(jìn)水絕緣子9，安裝口7b上焊接出水絕緣子10，進(jìn)水絕緣子9、出水絕緣子10末端還分別設(shè)有進(jìn)水口9a、出水口10a。

柱熱沉4上位于偏濾器或靶板1的下端面6b與柱熱沉4的臺(tái)階面4a之間套裝有絕緣管11。絕緣管11套在柱熱沉4外部，靶板孔里，將探針與靶板絕緣開。絕緣管11下有臺(tái)階，臺(tái)階壓在偏濾器或靶板1的下端面6b與4a柱熱沉4的臺(tái)階面之間。

使用時(shí)，耐高溫偏濾器粒子流檢測(cè)探針可獨(dú)立使用，也可以組合成陣列。安裝后的鎢瓦2前端與偏濾器或靶板1表面平齊，接受粒子流的轟擊，熱流和電流傳遞到銅片3和柱熱沉4。自進(jìn)水口9a口集中焊接進(jìn)水集水管，冷卻水流進(jìn)入水冷內(nèi)軸6的內(nèi)腔，在內(nèi)螺旋片5與水冷內(nèi)軸6的空隙中旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，集中冷卻柱熱沉4的前部?jī)?nèi)腔，出水后繼續(xù)旋轉(zhuǎn)前進(jìn)經(jīng)內(nèi)錐形腔體4b和出水絕緣子10流出。鎢瓦2上的電流電壓信號(hào)經(jīng)銅片3、柱熱沉4傳遞到錐拔段7末端，由補(bǔ)償導(dǎo)線引出。

以上所述實(shí)施方式僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通設(shè)計(jì)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。