本發(fā)明涉及核電材料腐蝕研究領(lǐng)域，尤其涉及一種原位拉曼觀察高壓釜。

背景技術(shù)：

核電材料長期處于高溫高壓水環(huán)境中，材料的腐蝕問題是影響到核電站安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素。目前有關(guān)高溫高壓水中核電材料的腐蝕的表征方法主要集中在非原位的表征手段上，例如通過掃描電子顯微鏡、腐蝕稱重等技術(shù)手段獲取腐蝕狀態(tài)。非原位表征方法存在諸多弊端：例如，樣品需要經(jīng)過降溫、移出高壓釜外、暴露于空氣等過程，表面氧化膜可能已經(jīng)發(fā)生了變化；不能同步反映氧化膜隨時(shí)間的演變過程等。采取原位研究方法是獲得腐蝕產(chǎn)物實(shí)時(shí)狀態(tài)的最佳途徑。

拉曼光譜基于入射激光與分子間的非彈性散射效應(yīng)，拉曼頻移依賴于分子的振動(dòng)頻率，分子的振動(dòng)頻率與分子的結(jié)構(gòu)、有效質(zhì)量、分子鍵強(qiáng)度有關(guān)。拉曼散射光譜能夠表征材料成分、晶體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)等，拉曼光譜方法基于分子振動(dòng)原理，所以它適用于水溶液環(huán)境中材料腐蝕產(chǎn)物的研究。

將原位拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用于核電材料高溫高壓水腐蝕行為研究，首要問題是解決原位拉曼觀察高壓釜的問題。目前，國內(nèi)外還缺乏適用于進(jìn)行長期高溫高壓水腐蝕實(shí)驗(yàn)的原位拉曼觀察高壓釜。

美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的c.s.kumai設(shè)計(jì)制作了容積僅0.05升的原位高壓釜，其將視窗直接安裝在高壓釜釜體上，采用金線進(jìn)行密封，可以進(jìn)行短時(shí)間的腐蝕實(shí)驗(yàn)(＜24小時(shí))，獲得了原位拉曼光譜。但是，由于視窗處溫度過高，易發(fā)生破裂事故，導(dǎo)致該裝置不可以進(jìn)行長期試驗(yàn)研究，高壓釜中的水溫也不允許超過320℃，此外，單次試驗(yàn)樣品僅1～4個(gè)，對(duì)開展研究工作形成很大的局限性。

韓國首爾大學(xué)j.h.kim，采用厚度4.5mm的單晶寶石作視窗，在窗口的水側(cè)表面附加一只厚0.25mm的cvd金剛石，采用718鎳基合金的密封圈，其表面含25μm厚的鍍金層，高壓釜體采用690合金，在溫度350℃、壓力18mpa的水環(huán)境條件下，獲得了原位拉曼光譜，試驗(yàn)時(shí)間小于48小時(shí)。然而，該高壓釜依然無法滿足長時(shí)間腐蝕試驗(yàn)條件(＞3天)的需求，試驗(yàn)溫度也不能超過350℃，實(shí)驗(yàn)過程中的安全性也不能得到保障。由此可見，原位拉曼觀察高壓釜一直是腐蝕原位研究的制約瓶頸之一。

因此，迫切需要設(shè)計(jì)制作一種適用于高溫高壓水環(huán)境的原位拉曼觀察高壓釜，期望能夠提供安全可靠、長期(＞3個(gè)月)的腐蝕研究，還期望其穩(wěn)定性好，可容納更多樣品(＞50個(gè))，可在高溫高壓水試驗(yàn)環(huán)境(360℃、18.6mpa甚至更高)下進(jìn)行原位拉曼觀測(cè)，以滿足核電材料高溫高壓水腐蝕研究工作的需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種安全可靠的原位拉曼觀察高壓釜。

本發(fā)明的目的還在于提供一種能夠進(jìn)行長期、連續(xù)的原位拉曼測(cè)量的原位拉曼觀察高壓釜。

本發(fā)明的目的還在于提供一種能夠進(jìn)行多樣品測(cè)量的原位拉曼觀察高壓釜。

為達(dá)到上述目的或目的之一，本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提出了一種原位拉曼觀察高壓釜，包括：

高壓釜體，所述高壓釜體限定釜腔；

觀測(cè)孔道，所述觀測(cè)孔道的一端設(shè)置在高壓釜體的側(cè)壁上，并與高壓釜體的釜腔相通，用于導(dǎo)入和導(dǎo)出拉曼激光；

視窗，設(shè)置在所述觀測(cè)孔道的另一端上，并與所述觀測(cè)孔道密封地連接；

試樣架，設(shè)置在高壓釜體的釜腔內(nèi)；以及

透鏡，所述透鏡與觀測(cè)孔道同軸設(shè)置并位于高壓釜體的釜腔內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，還包括：

耐壓閥，設(shè)置在觀測(cè)孔道上，用于切斷或開放觀測(cè)孔道；

冷卻水套，設(shè)置在觀測(cè)孔道外周；以及

泄放閥，直接或間接地設(shè)置在觀測(cè)孔道上，用于對(duì)觀測(cè)孔道進(jìn)行泄壓。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述原位拉曼觀察高壓釜上還設(shè)置有第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和第三傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，

其中所述透鏡設(shè)置在第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上，能夠在第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下水平移動(dòng)；所述試樣架設(shè)置在第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上，能夠在第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下上下移動(dòng)；

所述第三傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過齒輪組與所述試樣架連接，用于驅(qū)動(dòng)所述試樣架繞水平軸線旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述視窗由單晶寶石鏡片制成，所述單晶寶石鏡片通過法蘭、螺栓和石墨齒形墊與觀測(cè)孔道實(shí)現(xiàn)密封。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述透鏡為熔融石英平凸透鏡。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述試樣架等距離地分成4-8層，每層設(shè)置有多個(gè)用于掛置試樣的支架。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述觀測(cè)孔道與高壓釜體一體鍛造成型。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述試樣架中部設(shè)置有旋轉(zhuǎn)盤，旋轉(zhuǎn)盤通過所述齒輪組與所述第三傳動(dòng)機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)，所述第三傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不與齒輪組相連的一端伸出高壓釜體外，通過在高壓釜體外進(jìn)行操作來調(diào)節(jié)試樣架的旋轉(zhuǎn)角度。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，高壓釜體和觀測(cè)孔道由316不銹鋼制成，其中高壓釜體的高度為500-700mm、釜腔的內(nèi)徑為350-400mm，釜腔的容積為50-80l；觀測(cè)孔道的長度為400-450mm、內(nèi)徑為28-32mm、外徑為38-42mm。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述視窗的直徑為35-40mm、厚度為8-12mm。

根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，原位拉曼觀察高壓釜具有良好的抗腐蝕性，可以容納多樣品(接近100個(gè))同時(shí)進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)；觀測(cè)孔道可以與高壓釜體一起鍛造成型，無焊接縫，提高了安全性；視窗選用單晶寶石鏡片，具有良好的耐高溫水腐蝕和耐壓特性以及拉曼信號(hào)透過性能，采用冷卻水套將溫度降至100℃以內(nèi)，避免了單晶寶石視窗在高溫時(shí)發(fā)生破裂，提高了安全性；耐壓閥(球閥)可以關(guān)閉，對(duì)視窗起到了保護(hù)作用，能夠進(jìn)行長期的高溫高壓水試驗(yàn)。本發(fā)明的原位拉曼觀察高壓釜具有功能齊全、先進(jìn)、操作簡便、安全性高等特點(diǎn)，此外，本發(fā)明的原位拉曼觀察高壓釜在高溫高壓水環(huán)境下材料腐蝕行為的研究中具有廣泛且重要的應(yīng)用價(jià)值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的原位拉曼觀察高壓釜的示意圖。

附圖標(biāo)記說明如下：1-高壓釜體；2-觀測(cè)孔道；3-視窗；4-泄放閥；5-冷卻水套；6-耐壓閥；7-透鏡；8-第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；9-試樣架；10-第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；11-齒輪組；12-第三傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；s-釜腔。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性的實(shí)施例，其中相同或相似的標(biāo)號(hào)表示相同或相似的元件。另外，在下面的詳細(xì)描述中，為便于解釋，闡述了許多具體的細(xì)節(jié)以提供對(duì)本披露實(shí)施例的全面理解。然而明顯地，一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下也可以被實(shí)施。在其他情況下，公知的結(jié)構(gòu)和裝置以圖示的方式體現(xiàn)以簡化附圖。

圖1為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的原位拉曼觀察高壓釜的示意圖。如圖所示，原位拉曼觀察高壓釜包括：高壓釜體1、觀測(cè)孔道2、視窗3、泄放閥4、冷卻水套5、耐壓閥(球閥)6、透鏡(平凸透鏡)7及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu))8、試樣架9及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu))10、齒輪組11及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(第三傳動(dòng)機(jī)構(gòu))12等。

其中，所述高壓釜體1帶有供原位拉曼觀察的金屬的觀測(cè)孔道2，觀測(cè)孔道2末端安裝視窗3，采用冷卻水套5將視窗3處的溫度降低，冷卻水套5和視窗3中間的泄放閥4起過壓保護(hù)的作用，冷卻水套5與泄放閥4被置于視窗3之前，在觀測(cè)孔道2的前端還設(shè)置耐壓閥6(設(shè)置在觀測(cè)孔道2的前部位置貼近高壓釜體1)。高壓釜體1內(nèi)限定釜腔s，將透鏡7置于高壓釜體1的釜腔s內(nèi)，與觀測(cè)孔道2同軸地設(shè)置并在高壓釜體1內(nèi)貼近腐蝕試樣，第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)8與透鏡7相連并伸出高壓釜體1的釜蓋，通過第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)8，透鏡7可水平移動(dòng)，透鏡7正前方約30mm處的測(cè)試樣品被置于試樣架9上，試樣架9與高壓釜體1同軸設(shè)置并在高壓釜體1內(nèi)的中間位置處，第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)10與試樣架9相連；所述試樣架9由第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)10驅(qū)動(dòng)，其位置可上下調(diào)節(jié)，試樣架9可以與齒輪組11聯(lián)動(dòng)，可以經(jīng)第三傳動(dòng)機(jī)構(gòu)12驅(qū)動(dòng)所述試樣架繞水平軸線旋轉(zhuǎn)。其中，齒輪組11與高壓釜體1同軸地設(shè)置在高壓釜體1內(nèi)，與試樣架9聯(lián)動(dòng)，第三傳動(dòng)機(jī)構(gòu)12與齒輪組相連。

在一個(gè)具體的實(shí)施例中，高壓釜體1由316不銹鋼制成，具有良好的抗腐蝕性，高壓釜體1的高度為615mm、釜腔s的內(nèi)徑為370mm，釜腔s的容積為66l，可以容納多樣品(接近100個(gè))同時(shí)開展腐蝕試驗(yàn)。

在一個(gè)具體的實(shí)施例中，觀測(cè)孔道2由316不銹鋼制成，與高壓釜體1一起鍛造成型，無焊接縫，因而提高了安全性，其長度為425mm、內(nèi)徑為30mm、外徑為40mm，觀測(cè)孔道2用于作為拉曼激光導(dǎo)入導(dǎo)出的通道，其上提供有充分的空間供安裝耐壓閥6、視窗3、冷卻水套5等必備裝置。

視窗3選用單晶寶石鏡片，直徑為38mm、厚度為10mm，單晶寶石具有良好的耐高溫水腐蝕和耐壓特性以及拉曼信號(hào)透過性能，視窗3通過法蘭、螺栓連接在觀測(cè)孔道2上，視窗3封裝時(shí)采用石墨齒形墊，石墨齒形墊置于寶石鏡片表面，能夠緩解機(jī)械應(yīng)力且達(dá)到密封效果。在視窗3前部，與視窗3距離100mm處布置冷卻水套5，施以上下循環(huán)水構(gòu)成冷卻回路，采用冷卻水套5將溫度降至100℃以內(nèi)，避免了單晶寶石視窗在高溫時(shí)發(fā)生破裂，提高了安全性。

當(dāng)試樣需進(jìn)行長期的高溫高壓水腐蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)，單晶寶石長期與高溫水接觸，表面性能可能退化，并有破裂的風(fēng)險(xiǎn)，通過設(shè)置例如dn32球閥的耐壓閥6，可承受360℃、25mpa水環(huán)境，dn32球閥與高壓釜體1的側(cè)壁的距離可設(shè)置為80mm，可全開和全閉。在進(jìn)行長期高溫高壓水實(shí)驗(yàn)時(shí)，關(guān)閉dn32球閥，當(dāng)進(jìn)行原位拉曼測(cè)量時(shí)，打開球閥至全開狀態(tài)，允許光束直徑約25mm的拉曼信號(hào)通過觀測(cè)孔道2，當(dāng)拉曼測(cè)量結(jié)束時(shí)，關(guān)閉球閥，由此能夠?qū)σ暣捌鸬奖Ｗo(hù)作用。

在本發(fā)明中，將例如平凸透鏡的透鏡7置于高壓釜體1內(nèi)，平凸透鏡由熔融石英材料制成，直徑為25.4mm，焦距為25.4mm，距離高壓釜體1的側(cè)壁可設(shè)置為60mm，入射激光經(jīng)過平凸透鏡(焦距25.4mm)被匯聚至樣品處，經(jīng)實(shí)驗(yàn)樣品散射后，散射光經(jīng)平凸透鏡匯聚呈直徑25.4mm的光束，經(jīng)觀測(cè)孔道2導(dǎo)出高壓釜體1，此方法避免了因發(fā)射光散射角大而無法從高壓釜體1內(nèi)經(jīng)觀測(cè)孔道2導(dǎo)出的問題。通過與透鏡支架相連并伸出高壓釜體1外的第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)8，實(shí)現(xiàn)了透鏡7沿水平位置的移動(dòng)，可移動(dòng)距離為±10mm，由此能夠解決光路調(diào)節(jié)及聚焦的問題。

在一個(gè)具體的實(shí)施例中，采用不銹鋼支架固定平凸透鏡的鏡片，鏡片支架安裝在第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)8的底座上。

在一個(gè)具體的實(shí)施例中，試樣架9被分為6層，每層設(shè)置16個(gè)支架，可供96個(gè)樣品同時(shí)進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，每個(gè)支架長度70mm，試樣支架上下間距為50mm，試樣長25mm、寬20mm，每個(gè)試樣有足夠的空間，可進(jìn)行不同合金成分、加工工藝的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。通過伸出高壓釜體1的第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)10，可在高壓釜體1外進(jìn)行操作，驅(qū)動(dòng)試樣架9上下移動(dòng)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)各層樣品的拉曼光譜測(cè)量。在試樣架9上設(shè)置旋轉(zhuǎn)盤，旋轉(zhuǎn)盤的厚度為20mm，旋轉(zhuǎn)盤與齒輪組11相結(jié)合實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，通過第三傳動(dòng)機(jī)構(gòu)12可以驅(qū)動(dòng)試樣架9進(jìn)行繞水平軸線的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)同層中不同方位樣品的旋轉(zhuǎn)定位及拉曼光譜測(cè)量。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，高壓釜體1配備有高壓釜體支架及可移動(dòng)的釜蓋電動(dòng)起吊裝置，方便高壓釜體的釜蓋的開啟和試樣片的安裝；釜體提供高溫高壓水環(huán)境。

由此可見，本發(fā)明的原位拉曼觀察高壓釜提供了一種原位、實(shí)時(shí)、精度高、對(duì)比度好、準(zhǔn)確可靠的拉曼光譜測(cè)量，可進(jìn)行多樣品、長期、連續(xù)的原位拉曼光譜測(cè)量，可在釜外直接控制試樣架上下移動(dòng)、繞水平軸線旋轉(zhuǎn)、以及光路調(diào)節(jié)。本發(fā)明的原位拉曼觀察高壓釜具有功能齊全、先進(jìn)、操作簡便、安全性高等特點(diǎn)，此外，本發(fā)明的原位拉曼觀察高壓釜在高溫高壓水環(huán)境下材料腐蝕行為的研究中具有廣泛且重要的應(yīng)用價(jià)值。

下面結(jié)合上述說明詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：原位拉曼觀察高壓釜的高壓釜體由316不銹鋼制成，具有良好的抗腐蝕性，高壓釜體的釜腔的容積為66l，可以容納多樣品(接近100個(gè))同時(shí)開展腐蝕試驗(yàn)；觀測(cè)孔道與高壓釜體一起鍛造成型，無焊接縫，提高了安全性，觀測(cè)孔道用于作為拉曼激光導(dǎo)入導(dǎo)出的通道，并提供有充分的空間供安裝球閥、視窗、溫度冷卻套等必備裝置；視窗選用單晶寶石鏡片，具有良好的耐高溫水腐蝕和耐壓特性以及拉曼信號(hào)透過性能，視窗封裝時(shí)采用石墨齒形墊，緩解了機(jī)械應(yīng)力；在視窗前部，采用冷卻水套將溫度降至100℃以內(nèi)，避免了單晶寶石視窗在高溫時(shí)發(fā)生破裂，提高了安全性；球閥可承受360℃、25mpa水環(huán)境，在進(jìn)行長期高溫高壓水實(shí)驗(yàn)時(shí)，關(guān)閉球閥，對(duì)視窗起到了保護(hù)作用。將平凸透鏡置于高壓釜體內(nèi)，入射激光經(jīng)平凸透鏡，被匯聚至樣品處，經(jīng)實(shí)驗(yàn)樣品散射后，散射光經(jīng)平凸透鏡匯聚呈直徑25.4mm的光束，經(jīng)觀測(cè)孔道，導(dǎo)出高壓釜，此方法避免了因發(fā)射光散射角大而無法從高壓釜體內(nèi)經(jīng)觀測(cè)孔道導(dǎo)出的問題；通過第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)透鏡水平移動(dòng)，解決了光路調(diào)節(jié)及聚焦的問題；試樣架可供96個(gè)樣品同時(shí)進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，每個(gè)試樣均有足夠的空間，可進(jìn)行不同合金成分、加工工藝的對(duì)比實(shí)驗(yàn)；通過第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可在釜腔外進(jìn)行操作，驅(qū)動(dòng)試樣架上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了各層樣品的拉曼光譜測(cè)量；旋轉(zhuǎn)盤與齒輪組相結(jié)合實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，通過第三傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)試樣架進(jìn)行繞水平軸線的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了同層中不同方位樣品的旋轉(zhuǎn)定位及拉曼光譜測(cè)量。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行變化。本發(fā)明的適用范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。