离子辐照和液态金属腐蚀协同作用研究实验装置及方法

摘要

本发明涉及应用于离子辐照和液态金属腐蚀环境中的离子辐照和液态金属腐蚀协同作用研究实验装置及方法。包括离子束流引出真空系统、液态金属回路系统和样品辐照室，所述的离子束流引出真空系统包括离子束传输真空管道，离子束传输真空管道上沿离子束传输方向依次设置有电磁扫描设备、气动真空隔断阀、快速响应真空阀、波纹管和冷却水套，离子束传输真空管道上还安装有真空泵、离子束流探测器、离子束斑探测器、液态金属泄漏腔和液态金属探测器，所述的液态金属回路系统和样品辐照室相连，液态金属回路系统主要包括熔化腔、液态金属阀门、刻度腔、真空泵及Ar气路系统等。该装置可以实现液态金属腐蚀和强辐照环境中的材料结构和性能研究。

说明书

技术领域

本发明涉及应用于离子辐照和液态金属腐蚀环境中的材料性能测试实 验设备技术领域，尤其是涉及一种离子辐照和液态金属腐蚀协同作用研究实 验装置及方法。

背景技术

核能可持续发展面临着核废料尤其是长寿命核废料的最终处理处置的 世界性难题。1980年代后期以来,加速器驱动的次临界系统(ADS)作为核能 可持续发展的创新技术路线在国际核能界受到普遍重视。由于具有良好的中 子学和物理性能（高热导和热熔、低熔点和蒸汽压以及化学惰性等），Pb-Bi 合金（LBE）是目前公认的ADS靶材兼冷却剂首选材料。服役于LBE作为散 裂靶兼冷却剂ADS系统中的结构材料面临着非常恶劣的工况，不仅有高温 （300-800℃）、高热负载（10MW/m²）、高能质子和中子引起的强辐照 （100dpa/year）、强腐蚀（几十um/year），同时还有高He产率（100appm/dpa） 及瞬间应力。在过去的几十年中，人们针对不同核能系统环境中的结构材料 开展了大量辐照损伤，但涉及液态PbBi腐蚀和辐照协同作用引起的结构材 料性能退化问题尚未解决，无论从实验技术，还是相关物理过程，都需要开 展大量的攻关和强化研究。目前国内缺乏相关的实验平台或装置用于开展辐 照/腐蚀协同作用研究，迫切需要建立该类型的实验装置。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足提供一种离子辐照和液态金属 腐蚀协同作用研究实验装置。从而有效解决了现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：所述的离子辐照和液态金 属腐蚀协同作用研究实验装置，其特点是包括离子束流引出真空系统、液态 金属回路系统和样品辐照室，所述的离子束流引出真空系统包括离子束传输 真空管道，离子束传输真空管道上沿离子束传输方向依次设置有气动真空隔 断阀、快速响应真空阀、波纹管和冷却水套，电磁扫描设备设置在离子束传 输真空管道前端外围，液态金属泄漏腔与离子束传输真空管道相连，离子束 传输真空管道上还安装有第一真空泵、半拦截式离子束流探测器、第一离子 束斑探测器、拦截式离子束流探测器、第二离子束斑探测器和液态金属探测 器，所述的样品辐照室安装在离子束传输真空管道端部，样品安装在样品辐 照室内，样品辐照室与液态金属回路系统相连，所述的液态金属回路系统包 括液态金属熔化腔，液态金属熔化腔上盖通过气路管道分别与Ar气钢瓶和 刻度腔上盖相连，液态金属熔化腔通过液态金属回路管道分别与刻度腔和样 品辐照室相连。

所述的Ar气钢瓶与液态金属熔化腔上盖之间的气路管道上依次设置有 第一Ar气阀、气体过滤器和第二Ar气阀；所述的刻度腔与液态金属熔化腔 上盖之间的气路管道上依次设置有第二真空气阀、第二真空泵和第一真空气 阀；所述的刻度腔与液态金属熔化腔之间的液态金属回路管道上依次设置有 第三液态金属阀、加热器、电磁流量计、第一液态金属阀和液态金属泄露口； 所述的样品辐照室通过液态金属泵和第二液态金属阀与电磁流量计和第一 液态金属阀之间的液态金属回路管道相连；所述的刻度腔与样品辐照室通过 液态金属回路管道相连，刻度腔与样品室之间的液态金属回路管道上依次设 置有第四液态金属阀和液态金属冷却器；所述的刻度腔内还设置有液态金属 液位探测器。

所述的电磁扫描设备放置在离子束传输真空管道前端外围，电磁扫描设 备后的离子束传输真空管道上接第一真空泵，半拦截式离子束流探测器安装 在第一真空泵后的离子束传输真空管道上，半拦截式离子束流探测器后的离 子束传输真空管道上安装第一离子束斑探测器上，第一离子束斑探测器后的 离子束传输真空管道上依次安装气动真空隔断阀和快速响应真空阀，快速响 应真空阀通过波纹管与拦截式离子束流探测器连接，拦截式离子束流探测器 后接液态金属泄漏腔，液态金属泄漏腔后接第二离子束斑探测器，第二离子 束斑探测器后接冷却水套，冷却水套后接液态金属探测器，液态金属探测器 与样品辐照室相连。

所述的半拦截式离子束流探测器、第一离子束斑探测器、第二离子束斑 探测器和拦截式离子束流探测器的中心处于离子束流传输真空管道的水平 中轴线上，离子束传输方向应与离子束流传输真空管道的水平轴线重合，第 一离子束斑探测器和第二离子束斑探测器平面与离子束传输方向呈45°夹 角。

所述的液态金属熔化腔后接第一液态金属阀，第一液态金属阀后的液态 金属回路管道分成两个支路，一支路通过第二液态金属阀液态与金属泵连 接，另一支路与电磁流量计连接；电磁流量计后接加热器，加热器与第三液 态金属阀连接，第三液态金属阀后分成两个支路，一个支路与刻度腔连接， 另一支路通过第四液态金属阀与液态金属冷却器连接，液态金属冷却器后接 样品辐照室，高温液态金属经过样品辐照室连接液态金属泵形成闭合循环回 路。

所述的Ar气钢瓶与气体过滤器连接，气体过滤器通过气路管道与液态 金属熔化腔的上盖相连，液态金属熔化腔连接液态金属回路，液态金属熔化 腔上盖设置气压表和放气阀，刻度腔上盖设置气压表、放气阀和液态金属液 位探测器。

所述的样品辐照室的样品垂直于离子束流方向，液态金属流动方向与样 品法线方向呈50°角。

所述的离子束流引出真空系统的第一真空泵和气动真空隔断阀与快速 响应真空阀联动控制，当系统真空度大于5╳10^-4Pa时，马上关闭快速响应 真空阀，随之关闭气动真空隔断阀，液态金属探测器与液态金属泵和快速响 应真空阀联动控制，当液态金属探测器检测到金属液体泄漏时，马上停止液 态金属泵运行并关闭快速响应真空阀，随之关闭气动真空隔断阀。

所述的离子辐照和液态金属腐蚀协同作用研究实验装置的使用方法，其 特点在于包括如下步骤：

（1）在实验装置启动前，先将一定量的金属铸锭放入液态金属熔化腔 内并对其进行密封，然后开启液态金属回路系统的第二真空泵，当系统真空 度达到1╳10^-4Pa时关闭气阀并停止第二真空泵运行；开启熔化腔加热器及 液态金属回路预热器电源，当液态金属熔化腔的金属完全熔化时，打开第一 Ar气阀和第二Ar气阀，由Ar气瓶为液态金属熔化腔加压，依次打开第一、 第二及第四液态金属阀门，启动液态金属泵将液态金属输送至刻度腔，进行 电磁流量计标定工作；

（2）完成电磁流量计标定之后，打开第一Ar气阀和第二Ar气阀，开 启第一液态金属阀门、第二液态金属阀门、第三液态金属阀门及第四液态金 属阀，启动液态金属泵向液态金属回路充液态金属，当液态金属充满回路管 道时关闭第一液态金属阀门，液态金属在泵的驱动下开始在回路中循环；

（3）开启离子束流引出真空系统的第一真空泵，当系统真空达到1╳ 10^-5Pa时，启动电磁扫描系统，通过离子束斑探测器对离子束斑大小及均匀 性实时观测，不断调整电磁扫描系统参数，保证辐照在样品的束流均匀性大 于95%；

（4）降下半拦截式束流探测器和拦截式束流探测器，同时降下第一离 子束斑探测器，打开真空隔断阀和快响应真空阀，通过联合半拦截式束流探 测器和拦截式束流探测器，完成离子束流强度标定工作；

（5）辐照实验开始前，升起拦截式束流探测器，降下第一、第二束斑 探测器，确保真空隔断阀和快响应真空阀处于开启状态，打开束流输运系统， 即可进行辐照和腐蚀协同作用实验。

所述的液态金属回路运行温度范围为200℃-600℃，样品室温度控制在 300℃-550℃范围内；液态金属回路中液态金属最大流速为2m/s。

采用上述的技术方案，本发明的有益效果为：所述的离子辐照和液态金 属腐蚀协同作用研究实验装置，其包括离子束流引出真空系统、液态金属回 路系统及样品辐照室。该装置可以实现液态金属腐蚀和强辐照环境中的材料 结构和性能研究、材料腐蚀测试及液态金属流动性实验分析等多项功能。实 现了“高能离子辐照”与“液态金属腐蚀”实验条件相结合，可以用于ADS 系统中的结构材料辐照/腐蚀协同作用模拟研究。提高了装置的利用率。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图。

图中：1、离子束传输真空管道；1-1、第一Ar气阀；1-2、第二Ar气阀； 2、离子束传输方向；2-1、第一真空气阀；2-2、第二真空气阀；3、电磁扫 描设备；3-1、第一液态金属阀；3-2、第二液态金属阀；3-3、第三液态金 属阀；3-4第四液态金属阀；4、第一真空泵；5、半拦截式离子束流探测器； 6、第一离子束斑探测器；7、气动真空隔断阀；8、快速响应真空阀；9、波 纹管；10、拦截式离子束流探测器；11、液态金属泄漏腔；12、第二离子束 斑探测器；13、冷却水套；14、液态金属探测器；15、样品辐照室；16、样 品；17、Ar气钢瓶；18、气体过滤器；19、液态金属熔化腔；20、液态金属 泄露口；21、液态金属回路管道；22、电磁流量计；23、加热器；24、刻度 腔；25、液态金属液位探测器；26、液态金属冷却器；27、第二真空泵；28、 液态金属泵；29、气路管道。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本 发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，所述的离子辐照和液态金属腐蚀协同作用研究实验装置， 其特点是包括包括离子束流引出真空系统、液态金属回路系统和样品辐照室 15，所述的离子束流引出真空系统包括离子束传输真空管道1，离子束传输 真空管道1上沿离子束传输方向2依次设置有气动真空隔断阀7、快速响应 真空阀8、波纹管9和冷却水套13，电磁扫描设备3设置在离子束传输真空 管道1前端外围，液态金属泄漏腔11与离子束传输真空管道1相连，离子 束传输真空管道1上还安装有第一真空泵4、半拦截式离子束流探测器5、 第一离子束斑探测器6、拦截式离子束流探测器10、第二离子束斑探测器12 和液态金属探测器14，所述的样品辐照室15安装在离子束传输真空管道1 端部，样品16安装在样品辐照室15内，样品辐照室15与液态金属回路系 统相连，所述的液态金属回路系统包括液态金属熔化腔19，液态金属熔化腔 19上盖通过气路管道29分别与Ar气钢瓶17和刻度腔24上盖相连，液态金 属熔化腔19通过液态金属回路管道21分别与刻度腔24和样品辐照室相连。

进一步，所述的Ar气钢瓶17与液态金属熔化腔19上盖之间的气路管 道29上依次设置有第一Ar气阀1-1、气体过滤器18和第二Ar气阀1-2； 所述的刻度腔24与液态金属熔化腔19上盖之间的气路管道29上依次设置 有第二真空气阀2-2、第二真空泵27和第一真空气阀2-1；所述的刻度腔24 与液态金属熔化腔19之间的液态金属回路管道21上依次设置有第三液态金 属阀3-3、加热器23、电磁流量计22、第一液态金属阀3-1和液态金属泄露 口20；所述的样品辐照室的样品室15通过液态金属泵28和第二液态金属阀 3-2与电磁流量计22和第一液态金属阀3-1之间的液态金属回路管道21相 连；所述的刻度腔24下部与样品辐照室的样品室15通过液态金属回路管道 21相连；刻度腔24与样品辐照室15之间的液态金属回路管道21上依次设 置有第四液态金属阀3-4和液态金属冷却器26；所述的刻度腔24内还设置 有液态金属液位探测器25。

进一步，所述的电磁扫描设备3放置在离子束传输真空管道1前端外围， 电磁扫描设备3后的离子束传输真空管道1上接第一真空泵4，半拦截式离 子束流探测器5安装在第一真空泵4后的离子束传输真空管道1上，半拦截 式离子束流探测器5后的离子束传输真空管道1上安装第一离子束斑探测器 6上，第一离子束斑探测器6后的离子束传输真空管道1上依次安装气动真 空隔断阀7和快速响应真空阀8，快速响应真空阀8通过波纹管9与拦截式 离子束流探测器10连接，拦截式离子束流探测器10后接液态金属泄漏腔11， 液态金属泄漏腔11后接第二离子束斑探测器12，第二离子束斑探测器12 后接冷却水套13，冷却水套13后接液态金属探测器14，液态金属探测器14 与样品辐照室相连。

进一步，所述的半拦截式离子束流探测器5、第一离子束斑探测器6、 第二离子束斑探测器12和拦截式离子束流探测器10的中心处于离子束流传 输真空管道1的水平中轴线上，离子束传输方向2应与离子束流传输真空管 道1的水平轴线重合，第一离子束斑探测器6和第二离子束斑探测器12平 面与离子束传输方向2呈45°夹角。

进一步，所述的液态金属熔化腔19后接第一液态金属阀3-1，第一液态 金属阀3-1后的液态金属回路管道21分成两个支路，一支路通过第二液态 金属阀3-2与液态金属泵28连接，另一支路与电磁流量计22连接；电磁流 量计22后接加热器23，加热器23与第三液态金属阀3-3连接，第三液态金 属阀3-3后分成两个支路，一个支路与刻度腔24连接，另一支路通过第四 液态金属阀3-4与液态金属冷却器26连接，液态金属冷却器26后接样品辐 照室，高温液态金属经过样品辐照室连接液态金属泵形成闭合循环回路。

进一步，所述的Ar气钢瓶17与气体过滤器18连接，气体过滤器18通 过气路管道29与液态金属熔化腔19的上盖相连，液态金属熔化腔19连接 液态金属回路，液态金属熔化腔19上盖设置气压表和放气阀，刻度腔24上 盖设置气压表、放气阀和液态金属液位探测器25。

进一步，所述的样品辐照室15的样品16垂直于离子束流方向，液态金 属流动方向与样品16法线方向呈50°角。

进一步，所述的离子束流引出真空系统的第一真空泵4和气动真空隔断 阀7与快速响应真空阀8联动控制，当系统真空度变差超过5╳10^-4Pa时， 马上关闭快速响应真空阀8，随之关闭气动真空隔断阀7，液态金属探测器 14与液态金属泵28和快速响应真空阀8联动控制，当液态金属探测器14 检测到金属液体泄漏时，马上停止液态金属泵28运行并关闭快速响应真空 阀8，随之关闭气动真空隔断阀7。

所述的离子辐照和液态金属腐蚀协同作用研究实验装置的使用方法，其 特点在于包括如下步骤：

（1）在实验装置启动前，先将一定量的金属铸锭放入液态金属熔化腔 19内并对其进行密封，然后开启液态金属回路系统的第二真空泵27，当系 统真空度达到1╳10^-4Pa时关闭气阀并停止第二真空泵27运行，开启液态金 属熔化腔19加热器及液态金属回路加热器23电源，当熔化腔的金属完全熔 化时，打开第一Ar气阀1-1和第二Ar气阀1-2，由Ar气瓶为熔化腔加压， 依次打开第一液态金属阀门3-1、第二液态金属阀门3-2及第四液态金属阀 门3-4，启动液态金属泵28将液态金属输送至刻度腔24，联合液位探测器 25进行电磁流量计22标定工作。

（2）完成电磁流量计标定之后，打开第一Ar气阀1-1和第二Ar气阀 1-2，开启第一液态金属阀门3-1、第二液态金属阀门3-2、第三液态金属阀 门3-3及第四液态金属阀3-4，启动液态金属泵28向液态金属回路充液态金 属，当液态金属充满回路管道时关闭第一液态金属阀门3-1，液态金属在泵 28的驱动下开始在回路中循环；

（3）开启离子束流引出真空系统的第一真空泵4，当系统真空达到1╳ 10^-5Pa时，启动电磁扫描系统3，通过第一离子束斑探测器6对离子束斑大 小及均匀性实时观测，不断调整电磁扫描系统参数，保证辐照在样品16的 束流均匀性优于95%；

（4）降下半拦截式束流探测器5和拦截式束流探测器10，同时降下第 一离子束斑探测器6，打开真空隔断阀7和快响应真空阀8，通过联合半拦 截式束流探测器5和拦截式束流探测器10，完成离子束流强度标定工作；在 实验过程中，只要测量到经过半截式离子束流探测器5上的离子流强，就可 以获得辐照在样品16上的离子流强；

（5）辐照实验开始前，升起拦截式束流探测器10，降下第一束斑探测 器6、第二束斑探测器12，确保真空隔断阀7和快响应真空阀8处于开启状 态，打开束流输运系统，即可进行辐照/腐蚀协同作用实验。

进一步，所述的液态金属回路运行温度范围为200℃-600℃，样品室温 度控制在300℃-550℃范围内；液态金属回路中液态金属最大流速为2m/s。。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明 的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。