本發(fā)明涉及核能結(jié)構(gòu)材料抗輻照性能評(píng)價(jià)設(shè)備及方法技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種高溫輻照蠕變裝置。

背景技術(shù)：

目前，借助重離子替代中子進(jìn)行材料輻照，模擬核能結(jié)構(gòu)材料的抗輻照性能，是國際上比較公認(rèn)的方法，因?yàn)殡x子輻照具有經(jīng)濟(jì)性，安全性和快捷性等諸多優(yōu)點(diǎn)。利用離子輻照，需要將輻照靶室與加速器束流管道連接。當(dāng)前，國內(nèi)輻照靶室有多種多樣，如普通高溫靶室，利用加熱絲將樣品靶托加熱，這樣被輻照的樣品能夠在高溫下進(jìn)行輻照，模擬材料在高溫輻照情況下，輻照缺陷在高溫環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)過程；低溫靶室，利用液氮甚至液氦冷卻樣品靶托，這樣被輻照的樣品能夠在低溫下進(jìn)行輻照，模擬離子碰撞過程中缺陷最初形成狀態(tài)；高溫-應(yīng)力輻照裝置，通過對(duì)樣品加載一定程度的載荷，然后在進(jìn)行高溫樣品輻照，這比前面提到的簡單高溫輻照裝置，更進(jìn)一步，模擬材料在核能環(huán)境中的工況。

核能結(jié)構(gòu)材料在實(shí)際應(yīng)用過程中，面臨著高溫、強(qiáng)輻射、熱應(yīng)力等環(huán)境，在這種環(huán)境中，輻射會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生形變，即輻照蠕變。材料在長期服役過程中，輻照蠕變會(huì)導(dǎo)致材料機(jī)械性能降低，嚴(yán)重影響核能安全。核能結(jié)構(gòu)材料的輻照蠕變性能對(duì)評(píng)價(jià)該材料性能至關(guān)重要，到目前為止，國內(nèi)還沒有合適進(jìn)行輻照蠕變研究的靶室，如現(xiàn)有的高溫-應(yīng)力輻照裝置只能夠進(jìn)行粗略加載載荷，更關(guān)鍵的該裝置無法對(duì)材料輻照過程中產(chǎn)生的形變進(jìn)行測量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足提供高溫輻照蠕變裝置。從而有效解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：所述的高溫輻照蠕變裝置，其特點(diǎn)是包括高溫靶室，所述的高溫靶室下端設(shè)置有差動(dòng)變壓器和應(yīng)力加載系統(tǒng)，高溫靶室上還設(shè)置有觀察窗和束流檢測系統(tǒng)，高溫靶室一側(cè)通過真空閘板閥和真空管路與泄漏罐相連，泄漏罐上設(shè)置有觀察窗和束流檢測系統(tǒng)，高溫靶室另一側(cè)通過真空管路與常溫靶室相連，常溫靶室上設(shè)置有觀察窗和旋轉(zhuǎn)升降系統(tǒng)，常溫靶室通過真空管路與降能系統(tǒng)相連，降能系統(tǒng)通過真空檢測通道與真空維護(hù)系統(tǒng)相連，真空檢測通道上設(shè)置有觀察窗和束流檢測系統(tǒng)，真空維護(hù)系統(tǒng)上設(shè)置有真空閘板閥。

所述的高溫靶室的前端中心通過真空管道和法蘭與常溫靶室相連接，高溫靶室的頂端設(shè)置有熱電偶法蘭組件、用于預(yù)留口的法蘭蓋和用于對(duì)靶室側(cè)壁冷卻的上拉桿出水管組件，高溫靶室內(nèi)設(shè)置有承載框架組件，加熱爐組件安裝在承載框架組件上，加熱爐組件上方的承載框架組件上對(duì)應(yīng)設(shè)置有水冷上拉桿組件和負(fù)荷傳感器，加熱爐組件下方的承載框架組件上對(duì)應(yīng)設(shè)置有水冷下拉伸桿組件，上拉桿出水管組件下端與承載框架組件相連且相接處對(duì)應(yīng)設(shè)置有密封銅圈，承載框架組件上還設(shè)置有法蘭八芯插頭組件、高溫靶室艙門水冷組件和熱電偶引出導(dǎo)線，差動(dòng)變壓器安裝在承載框架組件上，高溫靶室下端安裝有加荷機(jī)構(gòu)連接體，加荷機(jī)構(gòu)連接體內(nèi)對(duì)應(yīng)加熱爐組件設(shè)置有水冷下拉桿波紋管組件，水冷下拉伸桿組件延伸入水冷下拉桿波紋管組件內(nèi)，應(yīng)力加載系統(tǒng)安裝在加荷機(jī)構(gòu)連接體下方，拉伸機(jī)電機(jī)設(shè)置在應(yīng)力加載系統(tǒng)下部，實(shí)驗(yàn)樣品設(shè)置在加熱爐組件內(nèi)。

所述的常溫靶室通過旋轉(zhuǎn)升降系統(tǒng)中的升降旋轉(zhuǎn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，升降位移為0-30cm，使常溫靶托上放置多個(gè)樣品；常溫靶室為純銅材料，另外在靶托內(nèi)放置銅管回路，通循環(huán)水，保證了輻照過程中樣品為常溫，所述的高溫靶室內(nèi)的加熱爐組件利用加熱絲環(huán)繞在陶瓷片上分為兩個(gè)半球，實(shí)驗(yàn)樣品設(shè)置在球中心，保證了樣品整體溫度均勻。

所述的負(fù)荷傳感器連接水冷上拉桿組件并通入到加熱爐組件中，加熱爐組件下端連接水冷下拉桿波紋管組件，水冷下拉桿波紋管組件與差動(dòng)變壓器連接，差動(dòng)變壓器下端連接加荷機(jī)構(gòu)連接體，加荷機(jī)構(gòu)連接體由應(yīng)力加載系統(tǒng)通過拉伸機(jī)電機(jī)控制。

所述的束流檢測系統(tǒng)包括設(shè)置在高溫靶室內(nèi)的熒光靶和法拉第筒，高溫靶室外部對(duì)應(yīng)熒光靶和法拉第筒設(shè)置有氣缸，通過氣缸控制熒光靶和法拉第筒的升降，所述的法拉第筒和熒光靶設(shè)置在高溫靶室內(nèi)的被輻照樣品前端10cm處，所述的觀察窗為石英玻璃觀察窗，觀察窗設(shè)置在高溫靶室內(nèi)內(nèi)的熒光靶前端傾斜45°處，同時(shí)安裝有用于觀察束流打到熒光靶時(shí)光斑形貌的攝像頭，熒光靶和法拉第筒將束斑圖像自動(dòng)采集傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，熒光靶和法拉第筒為集成一體結(jié)構(gòu)，通過兩套氣動(dòng)系統(tǒng)控制氣動(dòng)法拉第筒和氣動(dòng)熒光靶的行程。

所述的降能系統(tǒng)內(nèi)部兩個(gè)圓片包裹的位置設(shè)有鋁箔旋轉(zhuǎn)片，其將360°分成36份，每10°設(shè)有20×30mm²的鋁膜，鋁膜厚度為2.5-50μm，保證了離子束穿過不同厚度的鋁膜后，在材料中沉積深度不同，保證了從樣品表面到最大損傷深處的范圍內(nèi)形成均勻的損傷區(qū)域，以此更準(zhǔn)確地模擬中子輻照損傷。

所述的應(yīng)力加載系統(tǒng)通過上樣品桿和下樣品桿將實(shí)驗(yàn)樣品固定在一起，上樣品桿固定在高溫靶室腔內(nèi)上表面，下樣品桿連接水冷下拉桿波紋管組件的高靈敏度拉伸機(jī)，當(dāng)樣品被固定后，通過對(duì)下樣品桿對(duì)樣品施加50-1000n應(yīng)力，最小加荷分級(jí)為1n，負(fù)荷精度為±0.5％，并在最長100小時(shí)的蠕變?cè)囼?yàn)過程中確保試驗(yàn)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，通過差動(dòng)變壓器和應(yīng)力加載系統(tǒng)中的伺服電機(jī)加滾珠絲杠-螺母完成蠕變?cè)囼?yàn)中施加負(fù)荷的過程，加荷過程中，實(shí)現(xiàn)先加預(yù)負(fù)荷，施加預(yù)負(fù)荷的目的是消除抽真空時(shí)由于墻體的微小變形對(duì)試樣的影響，再加主負(fù)荷，主負(fù)荷亦可大可小，加荷過程平穩(wěn)，一旦試樣出現(xiàn)斷裂，系統(tǒng)可減震，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)影響能降至最??；在整個(gè)蠕變?nèi)^程中，有負(fù)荷傳感器對(duì)施加負(fù)荷直接數(shù)字顯示并監(jiān)控，通過負(fù)荷的閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，將自動(dòng)保持試樣的負(fù)荷不變；高溫拉桿位于真空室內(nèi)，滾珠絲杠，伺服電機(jī)位于真空室外；差動(dòng)變壓器安裝在下樣品桿上，精確測量輻照過程中，樣品桿的位移，量程10mm，測量靈敏度2μm，測量精度±0.2％，將在彩色顯示板上一并顯示，真空管道在冷態(tài)條件下空載極限真空度優(yōu)于1×10^-5pa；真空漏率優(yōu)于5×10^-7pa·l/s；壓升率小于0.8pa/h。

所述的高溫輻照蠕變裝置，其用自行設(shè)計(jì)的控制軟件及數(shù)據(jù)采集處理軟件，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)樣品加熱溫度的控制、相應(yīng)蠕變加荷-變形、試樣變形測量、各執(zhí)行元件的動(dòng)作。試驗(yàn)過程中，溫度、負(fù)荷、時(shí)間、變形將自動(dòng)彩色顯示于該裝置的人機(jī)界面彩色觸摸屏中，并可與計(jì)算機(jī)直接通訊。

本發(fā)明的有益效果是：所述的高溫輻照蠕變裝置及溫控方法，其在被輻照樣品的前端，安裝有36片不同厚度的鋁膜，成功地解決了以往重離子輻照在材料內(nèi)部損傷隨深度分布不均勻的問題；樣品桿與高靈敏度拉伸機(jī)連接，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)被輻照樣品加載載荷量的精確控制；在樣品桿上，安裝有差動(dòng)變壓器，成功地實(shí)現(xiàn)了高能重離子輻照材料形變量的在線測量。本發(fā)明成功地填補(bǔ)了國內(nèi)輻照蠕變研究技術(shù)裝備上的空白，為核能結(jié)構(gòu)材料高溫輻照蠕變性能快速、有效評(píng)價(jià)提供了研究平臺(tái)，為我國核材料研究提供了裝備保障。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖；

圖2是本發(fā)明圖1中的高溫靶室剖視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明圖2的右視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明圖2的左視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明圖2的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明的實(shí)施方法原理示意圖。

圖中所示：1.真空閘板閥；2.真空維護(hù)系統(tǒng)；3.束流檢測系統(tǒng)；4.觀察窗；5.真空檢測通道；6.降能系統(tǒng)；7.常溫靶室；7-1.旋轉(zhuǎn)升降系統(tǒng)；8.高溫靶室；8-1.差動(dòng)變壓器；8-2.應(yīng)力加載系統(tǒng)；9.泄漏罐；10.拉伸機(jī)電機(jī)；11.熒光靶；12.法拉第筒；13.氣缸；14.法蘭蓋；15.上拉桿出水管組件；16.負(fù)荷傳感器；17.密封銅圈；18.法蘭八芯插頭組件；19.承載框架組件；20.水冷上拉桿組件；21.加熱爐組件；22.熱電偶引出導(dǎo)線；23.水冷下拉桿波紋管組件；24.加荷機(jī)構(gòu)連接體；25.熱電偶法蘭組件；26.高溫靶室艙門水冷組件；27.實(shí)驗(yàn)樣品；28.水冷下拉伸桿組件。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖所示之最佳實(shí)例作進(jìn)一步詳述：

如圖1至5所示，所述的高溫輻照蠕變裝置，其特點(diǎn)是包括高溫靶室8，所述的高溫靶室8下端設(shè)置有差動(dòng)變壓器8-1和應(yīng)力加載系統(tǒng)8-2，高溫靶室8上還設(shè)置有觀察窗4和束流檢測系統(tǒng)3，高溫靶室8一側(cè)通過真空閘板閥1和真空管路與泄漏罐9相連，泄漏罐9上設(shè)置有觀察窗4和束流檢測系統(tǒng)3，高溫靶室8另一側(cè)通過真空管路與常溫靶室7相連，常溫靶室7上設(shè)置有觀察窗4和旋轉(zhuǎn)升降系統(tǒng)3，常溫靶室7通過真空管路與降能系統(tǒng)6相連，降能系統(tǒng)6通過真空檢測通道5與真空維護(hù)系統(tǒng)2相連，真空檢測通道5上設(shè)置有觀察窗4和束流檢測系統(tǒng)3，真空維護(hù)系統(tǒng)2上設(shè)置有真空閘板閥1。

所述的高溫靶室8的前端中心通過真空管道和法蘭與常溫靶室7相連接，高溫靶室8的頂端設(shè)置有熱電偶法蘭組件25、用于預(yù)留口的法蘭蓋14和用于對(duì)靶室側(cè)壁冷卻的上拉桿出水管組件15，高溫靶室8內(nèi)設(shè)置有承載框架組件19，加熱爐組件21安裝在承載框架組件19上，加熱爐組件21上方的承載框架組件19上對(duì)應(yīng)設(shè)置有水冷上拉桿組件20和負(fù)荷傳感器16，加熱爐組件21下方的承載框架組件19上對(duì)應(yīng)設(shè)置有水冷下拉伸桿組件28，上拉桿出水管組件15下端與承載框架組件19相連且相接處對(duì)應(yīng)設(shè)置有密封銅圈17，承載框架組件19上還設(shè)置有法蘭八芯插頭組件18、高溫靶室艙門水冷組件26和熱電偶引出導(dǎo)線22，差動(dòng)變壓器8-1安裝在承載框架組件19上，高溫靶室8下端安裝有加荷機(jī)構(gòu)連接體24，加荷機(jī)構(gòu)連接體24內(nèi)對(duì)應(yīng)加熱爐組件21設(shè)置有水冷下拉桿波紋管組件23，水冷下拉伸桿組件28延伸入水冷下拉桿波紋管組件23內(nèi)，應(yīng)力加載系統(tǒng)8-2安裝在加荷機(jī)構(gòu)連接體24下方，拉伸機(jī)電機(jī)10設(shè)置在應(yīng)力加載系統(tǒng)8-2下部，實(shí)驗(yàn)樣品27設(shè)置在加熱爐組件21內(nèi)。

所述的常溫靶室7通過旋轉(zhuǎn)升降系統(tǒng)7-1中的升降旋轉(zhuǎn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，升降位移為0-30cm，使常溫靶托7上放置多個(gè)樣品；常溫靶室7為純銅材料，另外在靶托內(nèi)放置銅管回路，通循環(huán)水，保證了輻照過程中樣品為常溫，所述的高溫靶室8內(nèi)的加熱爐組件利用加熱絲環(huán)繞在陶瓷片上分為兩個(gè)半球，實(shí)驗(yàn)樣品設(shè)置在球中心，保證了樣品整體溫度均勻。

所述的負(fù)荷傳感器16連接水冷上拉桿組件并通入到加熱爐組件中，加熱爐組件下端連接水冷下拉桿波紋管組件，水冷下拉桿波紋管組件與差動(dòng)變壓器連接，差動(dòng)變壓器下端連接加荷機(jī)構(gòu)連接體，加荷機(jī)構(gòu)連接體由應(yīng)力加載系統(tǒng)通過拉伸機(jī)電機(jī)控制。

所述的束流檢測系統(tǒng)3包括設(shè)置在高溫靶室8內(nèi)的熒光靶11和法拉第筒12，高溫靶室8外部對(duì)應(yīng)熒光靶11和法拉第筒12設(shè)置有氣缸13，通過氣缸13控制熒光靶11和法拉第筒12的升降，所述的法拉第筒12和熒光靶11設(shè)置在高溫靶室8內(nèi)的被輻照樣品前端10cm處，所述的觀察窗4為石英玻璃觀察窗，觀察窗設(shè)置在高溫靶室內(nèi)內(nèi)的熒光靶前端傾斜45°處，同時(shí)安裝有用于觀察束流打到熒光靶時(shí)光斑形貌的攝像頭，熒光靶和法拉第筒將束斑圖像自動(dòng)采集傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，熒光靶和法拉第筒為集成一體結(jié)構(gòu)，通過兩套氣動(dòng)系統(tǒng)控制氣動(dòng)法拉第筒和氣動(dòng)熒光靶的行程。

所述的降能系統(tǒng)內(nèi)部兩個(gè)圓片包裹的位置設(shè)有鋁箔旋轉(zhuǎn)片，其將360°分成36份，每10°設(shè)有20×30mm²的鋁膜，鋁膜厚度為2.5-50μm，保證了離子束穿過不同厚度的鋁膜后，在材料中沉積深度不同，保證了從樣品表面到最大損傷深處的范圍內(nèi)形成均勻的損傷區(qū)域，以此更準(zhǔn)確地模擬中子輻照損傷。

所述的應(yīng)力加載系統(tǒng)通過上樣品桿和下樣品桿將實(shí)驗(yàn)樣品固定在一起，上樣品桿固定在高溫靶室腔內(nèi)上表面，下樣品桿連接水冷下拉桿波紋管組件的高靈敏度拉伸機(jī)，當(dāng)樣品被固定后，通過對(duì)下樣品桿對(duì)樣品施加50-1000n應(yīng)力，最小加荷分級(jí)為1n，負(fù)荷精度為±0.5％，并在最長100小時(shí)的蠕變?cè)囼?yàn)過程中確保試驗(yàn)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，通過差動(dòng)變壓器和應(yīng)力加載系統(tǒng)中的伺服電機(jī)加滾珠絲杠-螺母完成蠕變?cè)囼?yàn)中施加負(fù)荷的過程，加荷過程中，實(shí)現(xiàn)先加預(yù)負(fù)荷，施加預(yù)負(fù)荷的目的是消除抽真空時(shí)由于墻體的微小變形對(duì)試樣的影響，再加主負(fù)荷，主負(fù)荷亦可大可小，加荷過程平穩(wěn)，一旦試樣出現(xiàn)斷裂，系統(tǒng)可減震，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)影響能降至最??；在整個(gè)蠕變?nèi)^程中，有負(fù)荷傳感器對(duì)施加負(fù)荷直接數(shù)字顯示并監(jiān)控，通過負(fù)荷的閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，將自動(dòng)保持試樣的負(fù)荷不變；高溫拉桿位于真空室內(nèi)，滾珠絲杠，伺服電機(jī)位于真空室外；差動(dòng)變壓器安裝在下樣品桿上，精確測量輻照過程中，樣品桿的位移，量程10mm，測量靈敏度2μm，測量精度±0.2％，將在彩色顯示板上一并顯示，真空管道在冷態(tài)條件下空載極限真空度優(yōu)于1×10^-5pa；真空漏率優(yōu)于5×10^-7pa·l/s；壓升率小于0.8pa/h。

所述的高溫輻照蠕變裝置，其用自行設(shè)計(jì)的控制軟件及數(shù)據(jù)采集處理軟件，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)樣品加熱溫度的控制、相應(yīng)蠕變加荷-變形、試樣變形測量、各執(zhí)行元件的動(dòng)作。試驗(yàn)過程中，溫度、負(fù)荷、時(shí)間、變形將自動(dòng)彩色顯示于該裝置的人機(jī)界面彩色觸摸屏中，并可與計(jì)算機(jī)直接通訊。

如圖6所示，所述的高溫輻照蠕變裝置，其在實(shí)施時(shí)，首先安裝樣品，關(guān)閉高溫靶室，抽真空，設(shè)定溫度參數(shù)，對(duì)樣品加熱，加載應(yīng)力，打開插板閥，利用法拉第筒和熒光靶觀察束流情況，溫度、應(yīng)力、束流合適后，進(jìn)行輻照，測量輻照環(huán)境下材料蠕變性能，通過自控系統(tǒng)，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。