本發(fā)明屬于材料離子輻照研究與應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種基于粒子加速器材料輻照的高精度溫度控制裝置及其溫度控制方法。

背景技術(shù)：

能源危機(jī)與環(huán)境污染是當(dāng)今世界面臨的兩大難題。開發(fā)可持續(xù)發(fā)展的、綠色清潔的核能是解決上述兩大難題的重要手段。在核能研發(fā)與應(yīng)用中，核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)與功能材料面臨著苛刻的輻照環(huán)境，因此抗輻照性能則成為了反應(yīng)堆材料選用的關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)。

考核反應(yīng)堆材料的抗輻照性能主要包括兩類輻照方法：即反應(yīng)堆中子輻照方法與基于粒子加速器離子輻照方法。相對(duì)于反應(yīng)堆中子輻照方法，基于粒子加速器進(jìn)行的離子輻照方法具有耗時(shí)短、成本低、輻照損傷程度可控等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于材料抗輻照性能評(píng)價(jià)。

眾所周知，輻照溫度對(duì)材料輻照性能具有極為重要的影響，在材料離子輻照考核中，對(duì)輻照材料樣品的溫度控制要求十分嚴(yán)格，包括微小的溫度波動(dòng)、快速的控溫響應(yīng)等。目前，在粒子加速器材料輻照的溫控方面，大多裝置仍然采用單一電阻加熱方式的溫控系統(tǒng)，僅僅通過控制電阻加熱功率來實(shí)時(shí)調(diào)控輻照材料樣品的溫度。這種溫控方法的控溫精度較低、溫度波動(dòng)大、調(diào)溫緩慢，尤其是對(duì)降溫過程沒有調(diào)控能力，因此難以滿足高精度控溫的要求。近年來，也有人開發(fā)設(shè)計(jì)了電阻加熱與水冷卻、電阻加熱與氣冷卻等組合方式的溫控系統(tǒng)，可以明顯地提高粒子加速器輻照材料的溫控性能。但是，這些方法的控溫精度仍有所欠缺，仍然不能滿意地達(dá)到粒子加速器材料輻照的精確溫控要求，有待進(jìn)一步提高。另一方面，盡管在其它工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中的溫控技術(shù)已發(fā)展到了較高的水平，但是，無法將它們直接移植到基于粒子加速器的材料輻照溫控技術(shù)應(yīng)用中。究其原因在于，利用粒子加速器進(jìn)行材料的離子輻照實(shí)驗(yàn)具備以下特點(diǎn)。例如，離子輻照僅發(fā)生在材料近表面區(qū)域納米至微米量級(jí)區(qū)域，因此輻照溫度不同于材料樣品整體溫度；其次，輻照離子本身具備能量，輻照過程中離子束將誘導(dǎo)材料樣品發(fā)生溫度波動(dòng)等?；谶@些特點(diǎn)，使得應(yīng)用于其它行業(yè)領(lǐng)域的溫控裝置和方法均難以適用于基于粒子加速器材料輻照的溫度調(diào)控。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對(duì)以上所述材料離子輻照的技術(shù)特點(diǎn)與精確控溫要求，提供一種基于粒子加速器材料輻照的高精度溫度控制裝置及其溫度控制方法。該溫度控制裝置包括紅外測(cè)溫單元、電阻加熱單元、水冷卻單元和氣冷卻單元、樣品臺(tái)和其上的輻照材料樣品、信號(hào)控制/傳輸單元、以及計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)等；樣品臺(tái)將電阻加熱、水冷卻及氣冷卻單元進(jìn)行集成組合，對(duì)輻照樣品實(shí)現(xiàn)同步的加熱與冷卻調(diào)控；通過該溫度控制裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子加速器材料輻照溫度的實(shí)時(shí)、自動(dòng)與精確控制的方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用由以下技術(shù)措施構(gòu)成的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明所述一種基于粒子加速器材料輻照的高精度溫控方法，包括以下步驟：

(1)將樣品臺(tái)中高導(dǎo)熱金屬填滿銅傳熱臺(tái)上端面的圓形凹槽，并將輻照材料樣品用固定螺栓固定在銅傳熱臺(tái)上，確保輻照材料樣品與銅傳熱臺(tái)緊密接觸；

(2)之后將樣品臺(tái)安裝到離子輻照真空室端口并對(duì)真空室抽真空備用；在離子輻照過程中，通過紅外測(cè)溫通道緊密連接的紅外玻璃窗口和安裝在紅外玻璃窗口上的紅外熱成像儀直接測(cè)量得到輻照材料樣品的輻照溫度；隨后，將此輻照溫度數(shù)據(jù)通過輻照溫度數(shù)據(jù)傳輸線傳送給計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)，并將測(cè)量輻照溫度值與實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)溫度值作對(duì)比，預(yù)設(shè)溫度范圍為25℃～600℃，并自動(dòng)選擇以下七種方案中的任一種進(jìn)行處理：

(a)當(dāng)輻照溫度值高于預(yù)設(shè)值50℃及以上范圍時(shí)，此時(shí)降低電阻加熱功率、增加冷卻水流量與冷卻氣流量；

(b)當(dāng)輻照溫度值高于預(yù)設(shè)值10℃～50℃范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)僅增加冷卻水流量與冷卻氣流量；

(c)當(dāng)輻照溫度值高于預(yù)設(shè)值5℃～10℃范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)僅增加冷卻氣流量；

(d)當(dāng)輻照溫度值低于預(yù)設(shè)值50℃及以上范圍時(shí)，此時(shí)增加電阻加熱功率、降低冷卻水流量與冷卻氣流量；

(e)當(dāng)輻照溫度值低于預(yù)設(shè)值10℃～50℃范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)僅降低冷卻水流量與冷卻氣流量；

(f)當(dāng)輻照溫度值低于預(yù)設(shè)值5℃～10℃范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)僅降低冷卻氣流量；

(g)當(dāng)輻照溫度值與預(yù)設(shè)值的差異在±5℃范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)不改變電阻加熱功率、冷卻水流量與冷卻氣流量；

(3)在選擇了上述任一種方案處理后，計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)便分別通過電阻加熱功率指令信號(hào)傳輸線、冷卻水流量指令信號(hào)傳輸線、冷卻氣流量指令信號(hào)傳輸線向電阻功率調(diào)控器、帶有流量控制計(jì)的冷水機(jī)、帶有流量控制計(jì)的高壓氣瓶發(fā)送其指令信號(hào)；同步調(diào)控電阻加熱功率、冷卻水流量、冷卻氣流量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輻照材料樣品的精確控溫調(diào)控；

(4)最后，在輻照材料樣品溫度穩(wěn)定后，再次不斷循環(huán)重復(fù)上述測(cè)溫與控溫過程，由此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子加速器材料輻照溫度的實(shí)時(shí)、自動(dòng)與精確控制。

本發(fā)明依據(jù)上述所述一種基于粒子加速器材料輻照的高精度溫控方法，提供一種實(shí)現(xiàn)該方法的溫度裝置，包括離子輻照真空室、加速器離子束管道、輻照離子束流、紅外測(cè)溫通道；紅外測(cè)溫單元、電阻加熱單元、水冷卻單元、氣冷卻單元、信號(hào)控制/傳輸單元、樣品臺(tái)和其上的輻照材料樣品；在輻照離子束流終端的離子輻照真空室端口布置紅外測(cè)溫通道與樣品臺(tái)安裝端口；

所述紅外測(cè)溫單元包括與紅外測(cè)溫通道緊密連接的紅外玻璃窗口和安裝在紅外玻璃窗口上的紅外熱成像儀；即紅外玻璃窗口用于隔離離子輻照真空室與紅外熱成像儀；紅外熱成像儀通過輻照溫度數(shù)據(jù)傳輸線與計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)連接；

所述電阻加熱單元包括電阻功率調(diào)控器、樣品臺(tái)內(nèi)的電阻加熱絲、電流輸入線和電流輸出線；電阻功率調(diào)控器一端連接樣品臺(tái)內(nèi)的電流輸入線和電流輸出線，另一端通過電阻加熱功率指令信號(hào)傳輸線與計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)連接；

所述水冷卻單元包括帶有流量控制計(jì)的冷水機(jī)、水流環(huán)形冷卻管道、進(jìn)水管道和出水管道；帶有流量控制計(jì)冷水機(jī)一端連接樣品臺(tái)內(nèi)進(jìn)水管道和出水管道；其另一端通過冷卻水流量指令信號(hào)傳輸線連接計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)；所述帶有流量控制計(jì)冷水機(jī)通過進(jìn)水管道將冷卻水輸入水流環(huán)形冷卻管道，再經(jīng)出水管道回到帶有流量控制計(jì)的冷水機(jī)進(jìn)行循環(huán)；

所述氣冷卻單元包括帶有流量控制計(jì)的高壓氣瓶、氣流環(huán)形冷卻管道、進(jìn)氣管道和出氣管道；帶有流量控制計(jì)的高壓氣瓶一端連接樣品臺(tái)上的進(jìn)氣管道；樣品臺(tái)上的出氣管道與大氣相通；帶有流量控制計(jì)的高壓氣瓶另一端通過冷卻氣流量指令信號(hào)傳輸線連接計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)；帶有流量控制計(jì)的高壓氣瓶通過進(jìn)氣管道將冷卻氣體輸入氣流環(huán)形冷卻管道，再通過出氣管道排放到大氣環(huán)境中；

所述信號(hào)控制/傳輸單元包括計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)，其通過連接的輻照溫度數(shù)據(jù)傳輸線，以獲得紅外熱成像儀測(cè)量的輻照材料樣品的輻照溫度；通過連接的電阻加熱功率指令信號(hào)傳輸線、冷卻水流量指令信號(hào)傳輸線、冷卻氣流量指令信號(hào)傳輸線分別向電阻功率調(diào)控器，帶有流量控制計(jì)的冷水機(jī)，帶有流量控制計(jì)的高壓氣瓶發(fā)送指令信號(hào)；用于控制電阻加熱功率、冷卻水流量和冷卻氣流量。

上述技術(shù)方案中，所述樣品臺(tái)包括樣品臺(tái)不銹鋼筒體、銅傳熱臺(tái)及其上端面的圓形凹槽、圓形凹槽內(nèi)的高導(dǎo)熱金屬，及固定輻照材料樣品在銅傳熱臺(tái)上的固定螺栓。

上述技術(shù)方案中，所述樣品臺(tái)不銹鋼筒體上端設(shè)置為封閉的中空?qǐng)A柱形不銹鋼圓筒，其內(nèi)布置電阻加絲，電流輸入線和電流輸出線；布置進(jìn)水管道與出水管道、進(jìn)水口與出水口、水流環(huán)形冷卻管道；布置進(jìn)氣管道與出氣管道；樣品臺(tái)不銹鋼筒體安裝在離子輻照真空室的端口；并與離子輻照真空室壁緊密結(jié)合，保持真空隔離。

上述技術(shù)方案中，所述銅傳熱臺(tái)內(nèi)布置的進(jìn)氣管道與出氣管道、進(jìn)氣口與出氣口、氣流環(huán)形冷卻管道；銅傳熱臺(tái)內(nèi)的進(jìn)氣管道與出氣管道和樣品臺(tái)不銹鋼筒體內(nèi)的進(jìn)氣管道與出氣管道保持連通。

上述技術(shù)方案中，所述高導(dǎo)熱金屬為低熔點(diǎn)、高沸點(diǎn)、高熱導(dǎo)率的金屬銦，將其放置在銅傳熱臺(tái)上端面的圓形凹槽內(nèi)，作為輻照材料樣品與樣品臺(tái)之間的導(dǎo)熱介質(zhì)。

上述技術(shù)方案中，所述電阻加熱絲放置在樣品臺(tái)不銹鋼筒體的內(nèi)部頂端；電阻加熱絲以同心圓圈方式在同一平面上纏繞排布；調(diào)節(jié)電阻功率調(diào)控器可以控制輸出電路中的電流。

上述技術(shù)方案中，所述水流環(huán)形冷卻管道安裝在樣品臺(tái)不銹鋼筒體的內(nèi)部頂端，以圓形方式分布在電阻加熱絲的外邊，其二者處于同一平面。

上述技術(shù)方案中，所述氣流環(huán)形冷卻管道安裝在樣品臺(tái)不銹鋼筒體上的銅傳熱臺(tái)的內(nèi)部，以圓形方式分布在銅傳熱臺(tái)的圓形凹槽周圍；氣流通過氣流環(huán)形冷卻管道上的進(jìn)氣口進(jìn)入進(jìn)氣管道，再經(jīng)過其上的出氣口進(jìn)入出氣管道，最后排放到大氣環(huán)境中。

上述技術(shù)方案中，所述紅外玻璃窗口采用高透光率的透紅外鍺玻璃做成。

本發(fā)明所述的溫控裝置用于實(shí)現(xiàn)其溫控方法的原理是：根據(jù)該溫控裝置實(shí)時(shí)測(cè)量粒子加速器材料的輻照溫度；該輻照溫度通過計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)連接的各指令信號(hào)傳輸線，控制溫控裝置中電阻加熱絲加熱功率、冷卻水和冷卻氣流量，自動(dòng)同步調(diào)節(jié)電阻加熱單元、水冷單元與氣冷單元進(jìn)行溫度調(diào)控。就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)粒子加速器材料輻照溫度的實(shí)時(shí)、自動(dòng)與精確控制，從而大幅度提高粒子加速器材料輻照的溫控精度。

本發(fā)明所述的基于粒子加速器材料輻照的高精度溫控裝置及其溫控方法所具有的優(yōu)點(diǎn)及有益的技術(shù)效果如下：

1、本發(fā)明所述的溫控方法及其溫控裝置中，采用了電阻加熱單元、水冷卻單元及氣冷卻單元的集成組合方式；通過增加水冷卻單元與氣冷卻單元的設(shè)置，根據(jù)輻照材料樣品的溫度與預(yù)設(shè)定溫度的對(duì)比，調(diào)整水冷卻單元或氣卻冷單元的水流量或氣流量，可以有效減弱單一電阻加熱方式導(dǎo)致的溫度過沖效應(yīng)，降低輻照材料樣品的溫度波動(dòng)，從而提高其控溫精度；由于冷卻水與冷卻氣的導(dǎo)熱率差異以及冷卻水與冷卻氣管道的布局設(shè)計(jì)，水冷卻單元與氣冷卻單元的冷卻效率也不同；由此冷卻效率的不同與差異，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輻照材料樣品的輻照溫度的粗調(diào)控與微調(diào)控，也有助于進(jìn)一步提高控溫精度。

2、本發(fā)明所述的溫控方法及其溫控裝置中，其紅外熱成像儀直接測(cè)量的是輻照材料樣品的近表面溫度，因此能準(zhǔn)確反映真實(shí)的材料輻照溫度，并以此作為控溫標(biāo)準(zhǔn)，由計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)向電阻加熱單元與水冷卻單元反饋的控制指令信號(hào)，從而能準(zhǔn)確調(diào)控輻照材料樣品的輻照溫度。因此，本發(fā)明的溫控方法及其溫控裝置具備高的控溫精度。

3、本發(fā)明所述的溫控方法及其溫控裝置中，其計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)分別通過輻照溫度數(shù)據(jù)傳輸線、電阻加熱功率指令信號(hào)傳輸線、冷卻水流量指令信號(hào)傳輸線、冷卻氣流量指令信號(hào)傳輸線將紅外測(cè)溫單元與電阻加熱單元、水冷卻單元及氣冷卻單元進(jìn)行了自動(dòng)化程控集成，因此具有控溫響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。

4、本發(fā)明所述的溫控方法及其溫控裝置中，所述計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)不僅分別將裝置中各單元進(jìn)行了自動(dòng)化程控集成；同時(shí)，采用高導(dǎo)熱金屬作為輻照材料樣品與樣品臺(tái)之間的傳熱介質(zhì)，使得傳熱速度快、溫度梯度小，進(jìn)一步使得對(duì)輻照材料樣品的溫度調(diào)節(jié)速度更快；氣流環(huán)形冷卻管道布置在銅傳熱臺(tái)內(nèi)，而水流環(huán)形冷卻管道布置在樣品臺(tái)不銹鋼筒體內(nèi)，可以進(jìn)一步提高輻照材料樣品的溫控響應(yīng)速度。因此，本發(fā)明的溫控方法及其溫控裝置具有溫控響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。

5、本發(fā)明所述的溫控方法及其溫控裝置中，是通過計(jì)算機(jī)程序控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)溫與控溫處理，具備智能化特征，不僅方便工作人員進(jìn)行操作；同時(shí)，能輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、同步、自動(dòng)地進(jìn)行控溫，可以全過程對(duì)輻照材料樣品進(jìn)行精確溫度控制。

附圖說明

圖1本發(fā)明所述基于粒子加速器材料輻照的高精度溫控裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2本發(fā)明圖1中所述高精度溫控裝置中樣品臺(tái)的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3本發(fā)明圖1中所述高精度溫控裝置中樣品臺(tái)的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1—離子輻照真空室；2—加速器離子束管道；3—輻照離子束流；4—紅外測(cè)溫通道；5—紅外玻璃窗口；6—紅外熱成像儀；7—電阻功率調(diào)控器；8—電流輸入線；9—電流輸出線；10—帶有流量控制計(jì)的冷水機(jī)；11—進(jìn)水管道；12—出水管道；13—帶有流量控制計(jì)的高壓氣瓶；14—進(jìn)氣管道；15—出氣管道；16—樣品臺(tái)；17—輻照材料樣品；18—計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)；19—輻照溫度數(shù)據(jù)傳輸線；20—電阻加熱功率指令信號(hào)傳輸線；21—冷卻水流量指令信號(hào)傳輸線；22—冷卻氣流量指令信號(hào)傳輸線；23—樣品臺(tái)不銹鋼筒體；24—銅傳熱臺(tái)；25—固定螺栓；26—圓形凹槽；27—高導(dǎo)熱金屬；28—電阻加熱絲；29—水流環(huán)形冷卻管道；30—進(jìn)水口；31—出水口；32—?dú)饬鳝h(huán)形冷卻管道；33—進(jìn)氣口；34—出氣口；35—不銹鋼筒體23的外壁；36—不銹鋼筒體23的內(nèi)壁；37—銅傳熱臺(tái)24內(nèi)的圓形凹槽壁。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，顯然，所描述實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明公開的內(nèi)容，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下還可以其他實(shí)施例的方式實(shí)施本發(fā)明，這些實(shí)施例的實(shí)施方式均屬于本發(fā)明所保護(hù)的范圍。

本發(fā)明所述的一種實(shí)現(xiàn)基于粒子加速器材料輻照的高精度溫控方法采用的溫控裝置，如圖1所示的整體結(jié)構(gòu)圖，以及如圖2和圖3所示的樣品臺(tái)側(cè)視結(jié)構(gòu)圖和斷面結(jié)構(gòu)圖；該溫控裝置包括離子輻照真空室1、加速器離子束管道2、輻照離子束流3、紅外測(cè)溫通道4；紅外測(cè)溫單元、電阻加熱單元、水冷卻單元和氣冷卻單元、信號(hào)控制/傳輸單元、樣品臺(tái)16和其上的輻照材料樣品17；在粒子加速器的輻照離子束流終端的離子輻照真空室1端口布置紅外測(cè)溫通道4與樣品臺(tái)16的安裝端口。

所述紅外測(cè)溫單元包括紅外玻璃窗口5和紅外熱成像儀6；兩者均安裝在紅外測(cè)溫通道4的外端面，即紅外熱成像儀6安裝在離子輻照真空室1端口布置的紅外測(cè)溫通道4外端口相連接的紅外玻璃窗口5上，紅外玻璃窗口5用于隔離離子輻照真空室1與紅外熱成像儀6；同時(shí)，紅外熱成像儀6通過輻照溫度數(shù)據(jù)傳輸線19與計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)18連接；在離子輻照過程中，紅外熱成像儀6接收輻照材料樣品17表面發(fā)射的紅外射線，經(jīng)轉(zhuǎn)化為輻照溫度數(shù)據(jù)，并通過輻照溫度數(shù)據(jù)傳輸線(19)送入計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)18處理，從而實(shí)時(shí)測(cè)量離子輻照真空室1內(nèi)輻照材料樣品的輻照溫度。

所述電阻加熱單元包括電阻功率調(diào)控器7、電阻加熱絲28、電流輸入線8和電流輸出線9；電阻功率調(diào)控器7一端與樣品臺(tái)不銹鋼筒體23內(nèi)布置的電流輸入線8和電流輸出線9連接，其另一端通過電阻加熱功率指令信號(hào)傳輸線20與計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)18連接；電阻加熱絲28放置在樣品臺(tái)不銹鋼筒體23的內(nèi)部頂端，電阻加熱絲28以同心圓圈方式在同一平面上纏繞布置；電阻功率調(diào)控器7用于控制電阻輸出功率對(duì)樣品臺(tái)不銹鋼筒體23加熱，即在不進(jìn)行水冷卻和氣冷卻的條件下對(duì)輻照材料樣品加熱，其最高溫度可達(dá)600℃。

所述水冷卻單元包括帶有流量控制計(jì)的冷水機(jī)10、水流環(huán)形冷卻管道29、進(jìn)水管道11和出水管道12；帶有流量控制計(jì)的冷水機(jī)10一端與樣品臺(tái)不銹鋼筒體23內(nèi)布置的進(jìn)水管道11和出水管道12連接；帶有流量控制計(jì)的冷水機(jī)10另一端通過冷卻水流量指令信號(hào)傳輸線21與計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)18連接；所述帶有流量控制計(jì)的冷水機(jī)10通過進(jìn)水管道11將冷卻水輸入水流環(huán)形冷卻管道29，再經(jīng)過出水管道12回到帶有流量控制計(jì)的冷水機(jī)10進(jìn)行循環(huán)；水流環(huán)形冷卻管道29放置在樣品臺(tái)不銹鋼筒體23的內(nèi)部頂端，以圓形方式分布在電阻加熱絲28的外邊，其二者處于同一平面。

所述氣冷卻單元包括帶有流量控制計(jì)的高壓氣瓶13、氣流環(huán)形冷卻管道32、進(jìn)氣管道14和出氣管道15；帶有流量控制計(jì)的高壓氣瓶13一端與樣品臺(tái)不銹鋼筒體23內(nèi)布置的進(jìn)氣管道14連接，樣品臺(tái)不銹鋼筒體23內(nèi)布置的出氣管道15與大氣相通；帶有流量控制計(jì)的高壓氣瓶13另一端通過冷卻氣流量指令信號(hào)傳輸線22與計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)18連接；帶有流量控制計(jì)的高壓氣瓶13通過進(jìn)氣管道14將冷卻氣體輸入氣流環(huán)形冷卻管道32，之后通過出氣管道15排放到大氣環(huán)境中；所述氣流環(huán)形冷卻管道32在銅傳熱臺(tái)24的內(nèi)部，以圓形方式分布在銅傳熱臺(tái)24的圓形凹槽26周圍。

所述信號(hào)控制/傳輸單元包括計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)18、輻照溫度數(shù)據(jù)傳輸線19、電阻加熱功率指令信號(hào)傳輸線20、冷卻水流量指令信號(hào)傳輸線21、冷卻氣流量指令信號(hào)傳輸線22；所述計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)18通過連接的輻照溫度數(shù)據(jù)傳輸線19獲得紅外熱成像儀6測(cè)量的輻照材料樣品17的輻照溫度；然后，計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)18通過連接的電阻加熱功率指令信號(hào)傳輸線20、冷卻水流量指令信號(hào)傳輸線21、冷卻氣流量指令信號(hào)傳輸線22分別向電阻功率調(diào)控器7、帶有流量控制計(jì)的冷水機(jī)10、帶有流量控制計(jì)的高壓氣瓶13發(fā)送指令信號(hào)；用于控制電阻加熱功率、冷卻水流量和冷卻氣流量。

計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)18包括商用的計(jì)算機(jī)與信號(hào)傳輸線路的轉(zhuǎn)換部件，用于信號(hào)轉(zhuǎn)換與傳輸。

所述樣品臺(tái)16包括樣品臺(tái)不銹鋼筒體23、銅傳熱臺(tái)24、固定螺栓25、圓形凹槽26和高導(dǎo)熱金屬27，所述樣品臺(tái)不銹鋼筒體23上端面設(shè)置為封閉的中空?qǐng)A柱形不銹鋼圓筒，該不銹鋼圓筒內(nèi)布置的電流輸入線8、電流輸出線9、電阻加熱絲28、進(jìn)水管道11與出水管道12、進(jìn)水口30與出水口31；水流環(huán)形冷卻管道29、進(jìn)氣管道14、出氣管道15；樣品臺(tái)不銹鋼筒體23安裝在離子輻照真空室1的端口，并與真空室壁緊密結(jié)合，保持真空隔離；銅傳熱臺(tái)24內(nèi)布置有進(jìn)氣管道14與出氣管道15、進(jìn)氣口33與出氣口34；氣流環(huán)形冷卻管道32；銅傳熱臺(tái)24與樣品臺(tái)不銹鋼筒體23緊密接觸，且銅傳熱臺(tái)24內(nèi)進(jìn)氣管道14與出氣管道15與樣品臺(tái)不銹鋼筒體23內(nèi)的進(jìn)氣管道14與出氣管道15保持連通；固定螺栓25用于將輻照材料樣品17緊密固定在銅傳熱臺(tái)24上。高導(dǎo)熱金屬27放置在銅傳熱臺(tái)24上端面的圓形凹槽26內(nèi)，作為導(dǎo)熱介質(zhì)，需要將高導(dǎo)熱金屬填充滿圓形凹槽。

實(shí)施例

本實(shí)施例所述一種基于粒子加速器材料輻照的高精度溫控方法采用所述的溫控裝置來實(shí)現(xiàn)，其操作步驟按照前面所述步驟進(jìn)行。

本實(shí)施例中，所用粒子加速器為2×3mv型商用直線串列式粒子加速器，在其離子輻照束流終端的真空室1中布置紅外測(cè)溫通道4；

所用紅外熱成像儀6由flir公司提供，產(chǎn)品型號(hào)是a655sc，其測(cè)溫范圍為室溫至1000℃；經(jīng)過校正，紅外測(cè)溫單元對(duì)材料樣品輻照溫度的測(cè)溫精度≤1～5℃；

所用紅外玻璃窗口5采用高透光率的透紅外鍺玻璃；

所用電阻功率調(diào)控器7采用國(guó)產(chǎn)商用的加熱爐功率控制器，額定功率6kw，用于控制電阻輸出功率對(duì)樣品臺(tái)加熱，在不進(jìn)行水和氣冷卻的條件下對(duì)輻照材料樣品加熱，最高溫度可達(dá)600℃；

所用帶有流量控制計(jì)的冷水機(jī)10的冷卻水溫度范圍在15℃～45℃，可任意調(diào)節(jié)，控制精度±1℃，最大水流量50l/分鐘，可任意調(diào)節(jié)，控制精度為0.5l/分鐘；

所用帶有流量控制計(jì)的高壓氣瓶13采用氮?dú)庾鳛闅庠矗瑲怏w流量的可調(diào)范圍為10sccm～500sccm，控制精度為10sccm；

所用樣品臺(tái)不銹鋼筒體23為一端封閉的中空?qǐng)A柱形耐熱不銹鋼圓筒，不銹鋼筒體外壁35的直徑是20cm，不銹鋼筒體內(nèi)壁36的直徑是14cm，其頂部封閉端的厚度6cm；

所用銅傳熱臺(tái)24直徑20cm、厚度2cm，圓形凹槽26的銅傳熱臺(tái)內(nèi)圓形凹槽壁37的直徑為12cm，凹槽的深度1cm；

所有的氣冷管道內(nèi)徑為0.5cm，所有的水冷管道內(nèi)徑為0.8cm；氣流環(huán)形冷卻管道32離圓形凹槽26的徑向距離為1.5cm，而水流環(huán)形冷卻管道29離電阻加熱絲28外圈的徑向距離為3cm；

所用高導(dǎo)熱金屬27為金屬銦；

所用計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)18包括商用的計(jì)算機(jī)與信號(hào)傳輸線路的轉(zhuǎn)換部件，用于信號(hào)轉(zhuǎn)換與傳輸，采用自編程序?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)控制。

所用輻照材料樣品17為zr-4合金圓片，其直徑為18cm、厚度為0.2cm。

本實(shí)施例所述一種基于粒子加速器材料輻照的高精度溫控方法，結(jié)合圖1-圖2安裝連接好各元器件及各部件，其具體操作步驟如下：

(1)將樣品臺(tái)16中樣品臺(tái)不銹鋼筒體23上端不銹鋼圓筒中高導(dǎo)熱金屬銦27填滿銅傳熱臺(tái)24上端面的圓形凹槽26，并將輻照材料樣品17zr-4合金圓片用固定螺栓25固定在銅傳熱臺(tái)24上，確保輻照材料樣品zr-4合金圓片與銅傳熱臺(tái)24緊密接觸；防止升溫過程中金屬銦液化后溢出；

(2)之后將樣品臺(tái)16安裝到直線串列式粒子加速器的離子輻照真空室1端口中，并抽真空至真空度小于1×10^-5pa；在離子輻照過程中，通過紅外測(cè)溫通道4，與安裝在紅外玻璃窗口5的紅外熱成像儀6直接測(cè)量得到輻照材料樣品的輻照溫度；隨后，紅外熱成像儀6將此輻照溫度數(shù)據(jù)通過輻照溫度數(shù)據(jù)傳輸線19傳送給計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)18，并將測(cè)量的輻照溫度值與實(shí)驗(yàn)預(yù)先設(shè)定的溫度值進(jìn)行對(duì)比；

本實(shí)施例中輻照實(shí)驗(yàn)的預(yù)先設(shè)定溫度為350℃；在離子輻照開始之前，預(yù)先對(duì)輻照材料樣品進(jìn)行升溫到此設(shè)定溫度值；通過計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)18分別通過電阻加熱功率指令信號(hào)傳輸線20、冷卻水流量指令信號(hào)傳輸線21、冷卻氣流量指令信號(hào)傳輸線22分別向電阻功率調(diào)控器7、帶有流量控制計(jì)的冷水機(jī)10、帶有流量控制計(jì)的高壓氣瓶13發(fā)送指令信號(hào)，同步調(diào)控電阻加熱絲28加熱功率、冷卻水流量及冷卻氣流量，對(duì)輻照材料樣品17進(jìn)行加熱升溫；同時(shí)，紅外熱成像儀6通過紅外測(cè)溫管道4與紅外玻璃窗口5測(cè)量zr-4合金圓片樣品的溫度；當(dāng)zr-4合金圓片樣品的溫度達(dá)到設(shè)定溫度值350℃后，便啟動(dòng)粒子加速器對(duì)zr-4合金圓片樣品進(jìn)行離子輻照。由于輻照過程中，存在離子束加熱、束流波動(dòng)、電阻加熱波動(dòng)、樣品臺(tái)部件傳熱系數(shù)變化、zr-4合金圓片樣品熱物理性質(zhì)變化等各種效應(yīng)，因此zr-4合金圓片樣品的輻照溫度會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)zr-4合金圓片表面輻照溫度改變時(shí)，紅外熱成像儀6實(shí)時(shí)地將新的輻照溫度值通過輻照溫度數(shù)據(jù)傳輸線19傳送給計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)18，后者將對(duì)比測(cè)量的輻照溫度值與預(yù)先設(shè)定溫度值350℃，自動(dòng)地選擇以下七種方案中的一種進(jìn)行處理：

(a)當(dāng)輻照材料zr-4合金圓片樣品的輻照溫度≥400℃時(shí)，此時(shí)降低電阻加熱功率、增加冷卻水流量與冷卻氣流量；

(b)當(dāng)輻照材料zr-4合金圓片樣品的輻照溫度在360℃～400℃范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)僅增加冷卻水流量與冷卻氣流量；

(c)當(dāng)輻照材料zr-4合金圓片樣品的輻照溫度在355℃～360℃范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)僅增加冷卻氣流量；

(d)當(dāng)輻照材料zr-4合金圓片樣品的輻照溫度≤300℃時(shí)，此時(shí)增加電阻加熱功率、降低冷卻水流量與冷卻氣流量；

(e)當(dāng)輻照材料zr-4合金圓片樣品的輻照溫度在340℃～300℃范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)僅降低冷卻水流量與冷卻氣流量；

(f)當(dāng)輻照材料zr-4合金圓片樣品的輻照溫度在345℃～350℃范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)僅降低冷卻氣流量；

(g)當(dāng)輻照材料zr-4合金圓片樣品的輻照溫度在345℃～355℃范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)不改變電阻加熱功率、冷卻水流量與冷卻氣流量。

(3)在計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)18選擇了上述任一種處理方案后，便分別通過電阻加熱功率指令信號(hào)傳輸線20、冷卻水流量指令信號(hào)傳輸線21、冷卻氣流量指令信號(hào)傳輸線22向電阻功率調(diào)控器7、帶有流量控制計(jì)的冷水機(jī)10、帶有流量控制計(jì)的高壓氣瓶13發(fā)送指令信號(hào)，對(duì)加熱功率、冷卻水流量、冷卻氣流量進(jìn)行同步調(diào)節(jié)。

(4)在整個(gè)輻照過程中，不斷循環(huán)重復(fù)上述測(cè)溫與控溫過程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輻照材料zr-4合金圓片樣品輻照溫度的實(shí)時(shí)、同步、與精確的控制。在本實(shí)施例中，所設(shè)定的溫控循環(huán)周期間隔時(shí)間為60秒，且輻照材料zr-4合金圓片樣品在60秒內(nèi)可以達(dá)到溫度穩(wěn)定；結(jié)果表明：在5小時(shí)的離子輻照過程中，輻照材料樣品溫度波動(dòng)在±5℃范圍內(nèi)。

以上所述實(shí)施例僅給出了一個(gè)本發(fā)明所述的基于粒子加速器材料輻照的溫控裝置及其溫控方法的具體應(yīng)用例子，并非詳盡無遺或限制于上述所述具體實(shí)施方式和實(shí)施例；對(duì)于從事本領(lǐng)域的研究人員而言，還可根據(jù)以上啟示設(shè)計(jì)出多種基于粒子加速器材料輻照的溫控裝置及其溫控方法；顯而易見可根據(jù)上面所述內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷暮蛢?yōu)化，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。