一種適用于托卡馬克型磁約束核聚變裝置中第一鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種適用于托卡馬克型磁約束核聚變裝置中第一鏡的實(shí)現(xiàn)方法，具體地說是采用一種多層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)具有光學(xué)診斷功能的反射鏡，并且在高能等離子體、中子及高能射線輻照條件下，具有穩(wěn)定光譜反射率的反射鏡實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在托卡馬克型磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)裝置中，由于光學(xué)診斷系統(tǒng)(如湯姆遜散射與遠(yuǎn)紅外等)需要必須在裝置的真空室內(nèi)設(shè)置面對(duì)等離子體的第一鏡(FM)。隨著聚變裝置(如ITER)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，等離子體放電時(shí)間加長、運(yùn)行參數(shù)升高，第一鏡暴露于等離子體中的時(shí)間加長、所受的作用也更強(qiáng)烈，第一鏡問題變得越來越嚴(yán)重。
[0003]目前研究多采用單晶耐金屬鉬、銠和鎢等高熔點(diǎn)高硬度的金屬材料，制備具有較高反射率的鎢與鉬反射鏡，還需要克服加工高熔點(diǎn)高硬度金屬等技術(shù)問題，但大尺寸金屬單晶鎢和鉬制備第一鏡鏡面的加工和拋光比較困難，并且價(jià)格昂貴，而目前技術(shù)能力尚不能保證重復(fù)加工出高質(zhì)量金屬單晶第一鏡。人們又提出，在高導(dǎo)熱基體上鍍金屬膜，相對(duì)于單晶第一鏡的制備，能夠克服難以加工和拋光等技術(shù)問題，但是制備一定厚度的金屬薄膜會(huì)存在附著力低，耐濺射能力差等缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種實(shí)現(xiàn)耐高能等離子體、中子及高能射線輻照結(jié)構(gòu)及其方法，提高聚變裝置中第一鏡的光譜反射穩(wěn)定性，延長其使用壽命。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0006]采用具有較好光譜透過率的、耐高能等離子體、中子及高能射線輻照的金屬氧化材料，其面向聚變反應(yīng)室，起到保護(hù)作用，稱為耐濺射保護(hù)層I。其背面根據(jù)需要鍍有金屬薄膜或介質(zhì)薄膜，形成確定光譜反射率的功能薄膜層。光從耐濺射保護(hù)層入射到功能薄膜層上，功能薄膜層具有較高的反射率，這樣就構(gòu)成聚變裝置中所需的反射光學(xué)元件，這種結(jié)構(gòu)具有較好耐濺射能力。但由于前表面受高能離子濺射，將會(huì)沉積較高的熱量，如果濺射時(shí)間較長，因溫度梯度等原因，其表面層會(huì)破損、炸裂。因此在鍍膜面的下面，采用過度焊接工藝，通過釬料過度層將其焊接到金屬的微通道冷卻器上，解決耐濺射保護(hù)層和功能薄膜層的冷卻問題，將高能粒子濺射的熱量及時(shí)排出到結(jié)構(gòu)體外。由于耐濺射保護(hù)層多為金屬氧化材料，其導(dǎo)熱性與金屬相比較差，為了減小保護(hù)層前后的溫度梯度，因此耐濺射保護(hù)層厚度小于500 μ m。這樣其機(jī)械強(qiáng)度較弱，其反射面的形面主要取決于與其焊接的微通道器表面面形，焊接采用低溫真空釬焊工藝，焊料厚度小于50微米，以減小反射面由應(yīng)力引起的面形變化。
[0007]本發(fā)明保護(hù)層耐高能等離子體、中子及高能射線輻照，功能薄膜層具有特征光譜反射功能，微通道冷卻器將保護(hù)層沉積的熱量排出，這種第一鏡適用于在高能等離子體、中子及高能射線輻照條件下使用，適用于作為核聚變反應(yīng)裝置的第一鏡使用。
【附圖說明】
[0008]圖1本發(fā)明第一鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0009]發(fā)明中采用藍(lán)寶石、白寶石、SiC晶體、單晶鍺、單晶硅、CaF、石英、釔鋁石榴石晶體等耐濺射、透光材料作為保護(hù)層I (基底)的備選材料，通過雙面拋光，使得保護(hù)層雙面達(dá)到光學(xué)鏡面，雙面表面粗糙度小于10nm。保護(hù)層I厚度在小于500 μ m，厚度越薄越有利于降低保護(hù)層的溫度、減小保護(hù)層熱量沉積，減小保護(hù)層的熱應(yīng)力損傷，保護(hù)層I越薄光學(xué)加工的難度越大。在微通道冷卻器4與功能膜焊接前，需對(duì)微通道冷卻器(又可稱之為微通道熱沉；其內(nèi)通過有冷卻介質(zhì)，例如水)4焊接面(指對(duì)待冷卻物質(zhì)進(jìn)行冷卻的冷卻面)進(jìn)行光學(xué)表面的加工，既要控制表面的形面又要控制表面粗糙度，根據(jù)第一鏡使用情況的不同對(duì)其面形有相應(yīng)的具體要求，其表面粗糙度小于10nm。保護(hù)層I的一面鍍制功能薄膜層2(說明:由于膜系不同，厚度不同，根據(jù)情況自定。)，其作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)特征光反射，其既可以采用多層介質(zhì)膜又可以采用金屬膜，還可以采用多層介質(zhì)膜加金屬膜的混合膜系設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特征光的反射作用。同時(shí)在遠(yuǎn)離保護(hù)層I的一側(cè)再鍍制金屬過度膜，膜層厚度小于I μm，材料一般Zr、Cr、Cu、T1、Au、Ni等材料，因此增強(qiáng)功能薄膜層2與焊接釬料間的結(jié)合力，功能薄膜層2起到過度連接；經(jīng)過鍍膜加工過的帶有前窗口保護(hù)層I特定反射功能器件，采用真空釬焊工藝，將功能薄膜層2與微通道冷卻器4拋光面焊接在一起，其釬料采用錫基、鉍基、銦基、鉛基、鎘基、鋅基、金基、鋁基、銀基、銅基、錳基和鎳基等金屬釬料，釬料采用薄片結(jié)構(gòu)，一般厚度小于50 μ m，焊接時(shí)真空度小于5xlO-3Pa，焊接溫度及穩(wěn)定時(shí)間根據(jù)釬料特性來選擇，焊接后在功能薄膜層2與微通道冷卻器4之間將產(chǎn)生焊接釬料過度層3，將功能薄膜層2與微通道冷卻器4連接在一起，并具有好熱傳導(dǎo)功能。
[0010]例如:在ITER裝置中使用的具有紅外寬帶光譜反射鏡，先加工直徑30mm，200 μ m后的藍(lán)寶石雙面拋光基片，表面粗糙度小于Inm(rms)，這樣基片作為保護(hù)層I ;在保護(hù)層I的一個(gè)拋光面上鍍金薄膜，厚度在100-150nm左右，具有紅外寬帶光譜反射功能，滿足功能需求，再在金膜表面鍍銅膜200-500nm，銅膜起到過度連接，同時(shí)具有保護(hù)金薄膜的作用；微通道水冷器采用紫銅材料制成，對(duì)其焊接面進(jìn)行拋光，表面粗糙度小于10nm(rmS);最后采用真空釬焊工藝，真空焊接室壓力小于5xlO-3Pa，保護(hù)層I鍍的功能薄膜層2和微通道冷卻器4拋光面之間采用銅基(銅90%，銀10%)薄片釬料焊接，釬料厚度50 μm，焊接時(shí)分別從保護(hù)層I的上層面和微通道水冷器的下側(cè)面加0.4MPa壓力，作用于焊接結(jié)合面上，焊接溫度720°C，焊接時(shí)間12min，焊接后溫度以0.3°C /min速度降到300°C，再以3°C /min速度降到室溫。這樣實(shí)現(xiàn)了具有保護(hù)層、微通道水冷第一鏡的制作。
[0011]這種具有微通有冷卻水的第一鏡，在核聚變裝置中保護(hù)層I直接面對(duì)高能等離子體、中子轟擊及高能射線輻照，保護(hù)層I具有很強(qiáng)的耐濺射能力，具有保護(hù)功能，避免功能薄膜層2受到損傷，而保障了功能薄膜層2對(duì)特征光譜高反射率及其穩(wěn)定性，有利于反應(yīng)室外的分析及探測，微通道冷卻器4中通有恒溫的冷卻介質(zhì)，能夠?qū)⒊练e到第一鏡上的熱量排出去，控制器件溫度特性，因此這種反射鏡設(shè)計(jì)，提高第一鏡的使用壽命及其穩(wěn)定性，滿足核聚變裝置中光學(xué)診斷對(duì)第一鏡的需求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種適用于托卡馬克型磁約束核聚變裝置中第一鏡，其特征在于: 其為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，從上至下依次包括有保護(hù)層(I)、功能薄膜層(2)、焊接釬料過度層(3)、微通道冷卻器(4)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第一鏡，其特征在于: 功能薄膜層(2)為采用真空鍍膜工藝鍍制到保護(hù)層(I)的一側(cè)表面上的功能薄膜；功能薄膜層(2)與微通道冷卻器(4)之間采用真空釬焊工藝，通過釬料過度層3焊接連接起來，形成一體的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第一鏡，其特征在于: 保護(hù)層(I)具有很好的耐高能等離子體、中子及高能射線輻照能力，多為金屬氧化物材料，根據(jù)反射鏡對(duì)反射光譜功能需求不同，選擇藍(lán)寶石、白寶石、SiC晶體、單晶鍺、單晶硅、CaF、石英或釔鋁石榴石晶體等耐濺射材料中的一種或二種以上用作保護(hù)層(I)。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的第一鏡，其特征在于:保護(hù)層(I)采用光學(xué)雙面拋光工藝加工而成，已消除其上下表面對(duì)光的散射損耗；其厚度0.5-500 μm,以減小其在工作時(shí)的溫度梯度。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第一鏡，其特征在于: 功能薄膜層(2)對(duì)特定光譜范圍具有較高反射率，采用真空鍍膜工藝，在保護(hù)層(I)表面鍍膜制備而成，其成分及結(jié)構(gòu)根據(jù)光譜反射的需求，采用金屬薄膜、介質(zhì)多層干涉膜或金屬介質(zhì)復(fù)合膜系。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第一鏡，其特征在于: 功能薄膜層(2)除具有功能反射作用，還具有提高焊接結(jié)合力及均勻性的作用，一般在與釬料接觸表面上，鍍制Zr、Cr、Cu、T1、Au等中的一種或二種以上的材料層，作為過渡層，提高焊接效果；過渡層處于功能薄膜層和焊接釬料過度層之間。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第一鏡，其特征在于: 功能薄膜層(2)與微通道冷卻器(4)之間采用真空釬焊工藝，釬料采用錫基、鉍基、銦基、鉛基、鎘基、鋅基、金基、鋁基、銀基、銅基、錳基和鎳基等金屬釬料中的一種或二種以上，釬料為薄片結(jié)構(gòu)，厚度10-100 μ m，焊接后形成焊接釬料過度層(3)。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第一鏡，其特征在于: 微通道冷卻器(4)采用不銹鋼、銅等金屬材料中的一種或二種以上制成，其與功能薄膜層(2)的焊接面進(jìn)行光學(xué)拋光，以保障焊接結(jié)合力及均勻性。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第一鏡，其特征在于: 所述第一鏡是指在等離子環(huán)境中直接面對(duì)等離子的光學(xué)反射鏡，所述第一鏡在核聚變裝置中保護(hù)層直接面對(duì)高能等離子體、中子轟擊及高能射線輻照。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種適用于托卡馬克型磁約束核聚變裝置中第一鏡結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法，具體地說是實(shí)現(xiàn)具有耐高能等離子體、中子及高能射線輻照，具有較高光譜反射率及其穩(wěn)定性的反射鏡。這種第一鏡具有保護(hù)層，功能薄膜層，焊接釬料過度層，微通道冷卻器。功能薄膜層為采用真空鍍膜工藝鍍制到保護(hù)層上，功能薄膜層與微通道冷卻器之間采用真空釬焊工藝，通過釬料過度層焊接連接起來，形成一體的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。其保護(hù)層耐高能等離子體、中子及高能射線輻照，功能薄膜層具有特征光譜反射功能，微通道冷卻器將保護(hù)層沉積的熱量排出，這種第一鏡適用于在高能等離子體、中子及高能射線輻照條件下使用，適用于作為核聚變反應(yīng)裝置的第一鏡使用。
【IPC分類】G02B1/14, G21B1/23
【公開號(hào)】CN105652350
【申請?zhí)枴?br>【發(fā)明人】公發(fā)全, 劉萬發(fā), 李剛, 李義民, 賈春燕, 譚彥楠, 劉通, 徐志, 董闖
【申請人】中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
【公開日】2016年6月8日
【申請日】2014年11月20日