一種長(zhǎng)脈沖高功率離子源電極柵冷卻水路及真空密封結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型屬于一種高功率強(qiáng)流離子源及中性束注入加熱技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種長(zhǎng)脈沖高功率離子源電極柵冷卻水路及真空密封結(jié)構(gòu)，包括由多層水冷電極柵及其支撐法蘭平行組裝而成，每層水冷電極板由兩塊結(jié)構(gòu)相同的水冷電極柵搭接組成，以及布置在支撐法蘭內(nèi)部和水冷電極柵內(nèi)部的冷卻水路，這種水路結(jié)構(gòu)不僅可以瞬時(shí)冷卻電極，確保電極柵板之間電場(chǎng)分布的均勻一致性，還省略了連接電極與法蘭的水管，省略了水管與電極的連接結(jié)構(gòu)，節(jié)省了空間，降低了法蘭及其整個(gè)真空腔體包括絕緣腔的大小，降低了加工成本，尤其適用于結(jié)構(gòu)緊湊型離子源第一電極水路結(jié)構(gòu)。
【專利說明】
一種長(zhǎng)脈沖高功率離子源電極柵冷卻水路及真空密封結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于一種高功率強(qiáng)流離子源及中性束注入加熱技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種長(zhǎng)脈沖高功率離子源電極柵冷卻水路及真空密封結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]離子源是使中性原子或分子電離，產(chǎn)生等離子體，并從中引出離子束流的裝置。它是各種類型的離子加速器、質(zhì)譜儀、電磁同位素分離器、離子注入機(jī)、離子束刻蝕裝置、離子推進(jìn)器以及受控聚變裝置中的中性束注入器等設(shè)備的不可缺少的部件。離子源通常來說主要由等離子體發(fā)生器和電極系統(tǒng)組成。當(dāng)束能量大于60keV時(shí)，高功率離子源電極系統(tǒng)通常由四層電極及其支撐法蘭組成。每層電極有幾百個(gè)直徑的圓形截面引出孔或者寬度為毫米量級(jí)的縫型截面引出孔。面對(duì)等離子體的電極為第一電極(又可稱為等離子體電極)，下面一層為第二電極(又稱為梯度電極)，依次而下的是第三電極(抑制極)，第四層為地電極。第一第二電極之間電場(chǎng)用來引出高能離子，第二第三電極之間的電場(chǎng)用來加速離子，第三第四之間的電場(chǎng)抑制地電極區(qū)域的電子返流。當(dāng)高功率離子束引出時(shí)，由于粒子間的相互左右，將會(huì)有部分高能粒子轟擊到電極柵上，為了保證電極系統(tǒng)的長(zhǎng)脈沖運(yùn)行，高功率離子源必須考慮電極的瞬時(shí)水冷。對(duì)于在高真空，高電場(chǎng)強(qiáng)度下運(yùn)行的大尺寸薄電極柵片來說，冷卻水路結(jié)構(gòu)需結(jié)合電極加工工藝綜合考慮。
[0003]根據(jù)離子束引出的理論知識(shí)，面對(duì)等離子體的第一電極柵的厚度需要盡可能的薄，一般為3_到4mm范圍，第一電極與第二電極之間的距離為毫米量級(jí)，離子束引出區(qū)一般為幾百平方厘米，引出區(qū)間的電場(chǎng)強(qiáng)度極高。為了滿足較好的離子束光學(xué)原理，避免多孔電極間發(fā)生電擊穿現(xiàn)象，在大面積引出區(qū)域的每層電極間的電場(chǎng)要盡可能的均勻一致，由此兩層電極柵之間上下表面的平行度一般需低于0.1mm，由此電極的主動(dòng)水冷水路一般均勻分布在電極柵板內(nèi)部，而不是外表面上。電極柵材料一般為鉬或者無氧銅，由此無論是對(duì)于多孔型的還是多縫型的大尺寸毫米量級(jí)厚的電極柵板來說，均勻分布于每列離子束引出孔之間的水路結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)變得非常困難。合理的水路及其連接結(jié)構(gòu)，不僅可降低電極的加工工藝難度，還可以節(jié)省電極系統(tǒng)的總體加工成本。目前實(shí)驗(yàn)室用的兆瓦級(jí)中性束離子源電極柵水冷結(jié)構(gòu)主要有兩種類型，一種是針對(duì)短脈沖低功率的周邊水冷結(jié)構(gòu)，也就是冷卻水路分布在電極的周邊法蘭上，該結(jié)構(gòu)的水冷效果較差，不適合長(zhǎng)脈沖大功率離子源的工作需求;另一種是已經(jīng)使用在EAST超導(dǎo)托卡馬克裝置中性束系統(tǒng)上的細(xì)縫型水冷電極結(jié)構(gòu)，也就是多跟細(xì)小水管并排焊接成一平面電極柵，水管與水管之間的縫隙構(gòu)成離子束引出孔，電極水路與外部法蘭水路的連接與密封結(jié)構(gòu)采用的是小水管法蘭和O型密封圈結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用的矩形離子束引出孔不適用于大型負(fù)離子源電極系統(tǒng)，同時(shí)水路結(jié)構(gòu)上多了數(shù)條水管及其水管小法蘭，這些部件連接裝配需要占用一定的空間，對(duì)于第一電極結(jié)構(gòu)來說，周邊的幾何空間非常有限。目前我院研制的離子源主要應(yīng)用在由四個(gè)離子源構(gòu)成的一條中性束注入器上，由此對(duì)單個(gè)離子源整體空間結(jié)構(gòu)的緊湊型要求較高，目前EAST中性束離子源第一電極的冷卻結(jié)構(gòu)無法適用在我院研制的中性束離子源上。由此本發(fā)明提出了一種針對(duì)圓孔型離子束引出孔電極的水路及其密封結(jié)構(gòu)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)目前離子源水冷電極及其密封結(jié)構(gòu)中存在的問題，本實(shí)用新型提出了一種長(zhǎng)脈沖高功率離子源電極柵冷卻水路及其真空密封結(jié)構(gòu)。
[0005]本實(shí)用新型的技術(shù)方案是這樣的:
[0006]—種長(zhǎng)脈沖高功率離子源電極柵冷卻水路及真空密封結(jié)構(gòu)，包括由多層水冷電極柵及其支撐法蘭平行組裝而成，每層水冷電極板由兩塊結(jié)構(gòu)相同的水冷電極柵搭接組成，以及布置在支撐法蘭內(nèi)部和水冷電極柵內(nèi)部的冷卻水路，所述支撐法蘭內(nèi)部帶有2條法蘭主水路與16條分法蘭水路，所述水冷電極柵內(nèi)部帶有16條電極柵主水路與40條電極柵分水路;所述水路在水冷電極柵內(nèi)部與水冷電極柵平行布置，在支撐法蘭內(nèi)部與支撐法蘭平行布置，支撐法蘭高度方向的截面為長(zhǎng)方形，內(nèi)部的2條法蘭主水路與16條分法蘭水路分成兩組，對(duì)稱布置在支撐法蘭兩側(cè)的長(zhǎng)邊處，兩條法蘭主水路平行于長(zhǎng)邊布置，由長(zhǎng)方形的一端的寬邊延伸至長(zhǎng)方形內(nèi)，在兩條法蘭主水路的起始位置分別設(shè)置有進(jìn)水口和出水口。
[0007]—種長(zhǎng)脈沖高功率離子源電極柵冷卻水路及真空密封結(jié)構(gòu)，所述電極柵主水路與法蘭分水路采用O型密封圈緊固連接;支撐法蘭一側(cè)的一條主水道分成8路法蘭分水路，法蘭分水路以兩個(gè)水冷電極柵的拼接處為中心均勻分布，法蘭分水路一對(duì)一連接到電極柵主水路上，每個(gè)電極柵主水路分出5條電極柵分水路，總共有40條電極柵分水路;冷卻水從進(jìn)水口側(cè)流經(jīng)兩塊水冷電極柵后，在水冷電極柵的出水口側(cè)匯聚成8路電極柵主水路然后再與支撐法蘭出水一側(cè)的8路法蘭分水路連接，匯聚到這一側(cè)的法蘭主水路進(jìn)入到支撐法蘭出水口。
[0008]一種長(zhǎng)脈沖高功率離子源電極柵冷卻水路及真空密封結(jié)構(gòu)，所述水冷電極柵的厚度為3.5mm±0.1mm，水冷電極柵的平面尺寸為348mm*300mm，平面度0.08mm;在水冷電極柵上分布有直徑大小為6.9_的282個(gè)圓孔型離子束引出孔，每?jī)膳烹x子束引出孔之間分布冷卻水路，離子束引出孔壁面距離冷卻水路壁面的尺寸最小值為Imm;
[0009 ]每層電極板有兩塊結(jié)構(gòu)相同的水冷電極柵搭接而成，搭接角度177.8度，單塊水冷電極柵2的每個(gè)引出孔的軸向與水冷電極柵水平面垂直，與支撐法蘭水平面的角度為88.9度。
[0010]—種長(zhǎng)脈沖高功率離子源電極柵冷卻水路及真空密封結(jié)構(gòu)，所述支撐法蘭材料為316L不銹鋼，外形平面尺寸886mm*506mm，厚度30mm，法蘭主水路截面直徑12mm，水管長(zhǎng)度640mm，分水路共8路，截面直徑4mm，法蘭分水路周邊直徑為17mm的圓周上等角度分布四個(gè)M4螺絲孔，用于水路連接時(shí)的密封圈壓緊。
[0011]一種長(zhǎng)脈沖高功率離子源電極柵冷卻水路及真空密封結(jié)構(gòu)，所述的每塊水冷電極柵上的電極柵分水路共20路，每五路組成一電極柵主水路，共有四路電極柵主水路，四路電極柵主水路的直徑4mm，分布在在水冷電極柵兩端；
[0012]電極柵主水路在水冷電極柵兩端區(qū)域由水冷電極柵的水平方向變?yōu)榇怪狈较?，在水路連接面上與法蘭分水路通過O型氟橡膠密封圈，利用螺栓直接與支撐法蘭壓緊連接；
[0013]在水路連接面上每一出入口周邊制作外直徑IImm，內(nèi)直徑為6mm的密封槽，同時(shí)在密封槽外圍以出入口軸心為中心的直徑為17mm的圓周上等角度分布四個(gè)M4緊固螺栓，與支撐法蘭上的每條法蘭分水路周圍的四個(gè)螺紋孔對(duì)應(yīng)，在幾何空間上避開水冷電極柵上的電極柵主水路和數(shù)十條分電極柵分水路，同時(shí)保證電極柵主水路和電極柵分水路的壁厚都大于 Imm0
[0014]本實(shí)用新型的有益效果在于:
[0015]這種水路結(jié)構(gòu)不僅可以瞬時(shí)冷卻電極，確保電極柵板之間電場(chǎng)分布的均勻一致性，還省略了連接電極與法蘭的水管，省略了水管與電極的連接結(jié)構(gòu)，節(jié)省了空間，降低了法蘭及其整個(gè)真空腔體包括絕緣腔的大小，降低了加工成本，尤其適用于結(jié)構(gòu)緊湊型離子源第一電極水路結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0016]圖1為離子源四電極及其支撐法蘭
[0017]圖2為大功率離子源水冷電極柵及其支撐法蘭的三維視圖
[0018]圖3為分布在電極柵及其法蘭上的水路結(jié)構(gòu)俯視圖
[0019]圖4為電極柵水路與法蘭水路及其連接面的側(cè)視圖
[0020]圖中:1、支撐法蘭；2、水冷電極柵;3、進(jìn)水口；4、出水口； 5、法蘭主水路;6、法蘭分水路;7、電極柵主水路;8、電極柵分水路;9、水路連接面。
【具體實(shí)施方式】
[0021 ]下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0022]大功率離子源電極系統(tǒng)由多層水冷電極柵2及其支撐法蘭I平行組裝而成，每層水冷電極板由兩塊結(jié)構(gòu)相同的水冷電極柵2搭接組成，第一層電極柵面積最大，厚度最小，本實(shí)施例以HL-2M托克馬克中性束離子源圓孔型四電極系統(tǒng)的第一電極水路結(jié)構(gòu)為例。
[0023]這一水路結(jié)構(gòu)由兩個(gè)主要部件組成，一個(gè)是內(nèi)部帶有2條主水路與16條分水路的支撐法蘭I，另一個(gè)是內(nèi)部帶有16條主水路與40條分水路的大面積薄水冷電極柵2。所述水路在水冷電極柵2內(nèi)部與水冷電極柵2平行布置，在支撐法蘭I內(nèi)部與支撐法蘭平行I布置。俯視支撐法蘭I為長(zhǎng)方形，內(nèi)部的2條主水路與16條分水路分成兩組，對(duì)稱布置在支撐法蘭I兩側(cè)的長(zhǎng)邊處，兩條法蘭主水路5平行于長(zhǎng)邊布置，由長(zhǎng)方形的一端的寬邊延伸至長(zhǎng)方形內(nèi)，在兩條法蘭主水路的起始位置分別設(shè)置有進(jìn)水口 3和出水口 4。
[0024]電極柵主水路7與法蘭分水路6的連接方式采用的是O型密封圈緊固連接。水路結(jié)構(gòu)如圖3所示，支撐法蘭I 一側(cè)的一條主水道分成8路法蘭分水路6，然后法蘭分水路6以兩個(gè)水冷電極柵2的拼接處為中心均勻分布，法蘭分水路6—對(duì)一連接到電極柵主水路7上，每個(gè)電極柵主水路7分出5條電極柵分水路8，總共有40條電極柵分水路8;冷卻水從進(jìn)水口 3—側(cè)流經(jīng)兩塊水冷電極柵2后，在水冷電極柵2另一側(cè)匯聚成8路電極柵主水路7然后再與支撐法蘭I另一端的8路法蘭分水路6連接，匯聚到這一端的法蘭主水路5進(jìn)入到支撐法蘭出水口 4。
[0025]冷卻水從與支撐法蘭I一側(cè)的法蘭主水路5連接的進(jìn)水口 3流入，依次流經(jīng)法蘭主水路5、法蘭分水路6、電極柵主水路7、電極柵分水路8;再依次流經(jīng)另一側(cè)的電極柵主水路
7、法蘭分水路6、法蘭主水路5，最后從出水口 4流出。
[0026]為了使得離子束在引出方向上具有一定的會(huì)聚角度，每層電極板有兩塊結(jié)構(gòu)相同的水冷電極柵2搭接而成，搭接角度177.8度。單塊水冷電極柵2的每個(gè)引出孔的軸向與水冷電極柵2水平面垂直，與支撐法蘭I水平面的角度為88.9度。
[0027]支撐法蘭I材料為316L不銹鋼，外形平面尺寸886mm*506mm，厚度30mm，法蘭主水路5截面直徑12_，水管長(zhǎng)度640_，分水路共8路，截面直徑4mm，法蘭分水路6周邊直徑為17_的圓周上等角度分布四個(gè)M4螺絲孔，用于水路連接時(shí)的密封圈壓緊，所有水路采用深孔鉆工藝，與支撐法蘭I整體加工成型。
[0028]水冷電極柵2材料為無氧銅，水冷電極柵2厚度3.5mm±0.1mm，水冷電極柵2的平面尺寸為348mm*300mm，平面度0.08mm。在引出區(qū)域內(nèi)分布有主直徑大小為6.9mm的282個(gè)圓孔型離子束引出孔，每?jī)膳烹x子束引出孔之間分布冷卻水路，離子束引出孔壁面距離冷卻水路壁面的尺寸最小值為1mm，電極柵分水路8截面直徑1.8mm±0.2mm，水管長(zhǎng)度320mm，水路軸心之間的距離10.35mm。每塊水冷電極柵2上的電極柵分水路8共20路，每五路組成一電極柵主水路7，共有四路電極柵主水路7，四路電極柵主水路7的直徑4mm，分布在在水冷電極柵2兩端。電極柵主水路7在水冷電極柵2兩端區(qū)域由水冷電極柵2的水平方向變?yōu)榇怪狈较颍鐖D4所示;在水路連接面9上與法蘭分水路6通過O型氟橡膠密封圈，利用螺栓直接與支撐法蘭I壓緊連接。
[0029]由此在水路連接面9上每一出入口周邊制作外直徑11mm，內(nèi)直徑為6mm的密封槽，同時(shí)在密封槽外圍以出入口軸心為中心的直徑為17mm的圓周上等角度分布四個(gè)M4緊固螺栓，與支撐法蘭I上的每條法蘭分水路6周圍的四個(gè)螺紋孔對(duì)應(yīng)，在幾何空間上避開水冷電極柵2上的電極柵主水路7和數(shù)十條分電極柵分水路8，同時(shí)保證電極柵主水路7和電極柵分水路8的壁厚都大于1_。
[0030]水冷電極柵2、水冷電極柵主水路7和水冷電極柵分水路8以及數(shù)百個(gè)離子束引出孔采用整體加工制作，四個(gè)螺栓緊固壓緊密封圈時(shí)，確保水冷電極柵2與支撐法蘭I裝配面緊密配合。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種長(zhǎng)脈沖高功率離子源電極柵冷卻水路及真空密封結(jié)構(gòu)，包括由多層水冷電極柵(2)及其支撐法蘭(I)平行組裝而成，每層水冷電極板由兩塊結(jié)構(gòu)相同的水冷電極柵(2)搭接組成，以及布置在支撐法蘭(I)內(nèi)部和水冷電極柵(2)內(nèi)部的冷卻水路，其特征在于:所述支撐法蘭(I)內(nèi)部帶有2條法蘭主水路(5)與16條分法蘭水路(6)，所述水冷電極柵(2)內(nèi)部帶有16條電極柵主水(7)路與40條電極柵分水路(8);所述水路在水冷電極柵(2)內(nèi)部與水冷電極柵(2)平行布置，在支撐法蘭(I)內(nèi)部與支撐法蘭平行(I)布置，支撐法蘭(I)高度方向的截面為長(zhǎng)方形，內(nèi)部的2條法蘭主水路(5)與16條分法蘭水路(6)分成兩組，對(duì)稱布置在支撐法蘭(I)兩側(cè)的長(zhǎng)邊處，兩條法蘭主水路(5)平行于長(zhǎng)邊布置，由長(zhǎng)方形的一端的寬邊延伸至長(zhǎng)方形內(nèi)，在兩條法蘭主水路(5)的起始位置分別設(shè)置有進(jìn)水口(3)和出水口(4)。2.如權(quán)利要求1所述的一種長(zhǎng)脈沖高功率離子源電極柵冷卻水路及真空密封結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述電極柵主水路(7)與法蘭分水路(6)采用O型密封圈緊固連接;支撐法蘭(I)一側(cè)的一條主水道分成8路法蘭分水路(6)，法蘭分水路(6)以兩個(gè)水冷電極柵(2)的拼接處為中心均勻分布，法蘭分水路(6)—對(duì)一連接到電極柵主水路(7)上，每個(gè)電極柵主水路(7)分出5條電極柵分水路(8)，總共有40條電極柵分水路(8);冷卻水從進(jìn)水口(3)側(cè)流經(jīng)兩塊水冷電極柵(2)后，在水冷電極柵(2)的出水口(4)側(cè)匯聚成8路電極柵主水路(7)然后再與支撐法蘭(I)出水口(4)一側(cè)的8路法蘭分水路(6)連接，匯聚到這一側(cè)的法蘭主水路(5)進(jìn)入到支撐法蘭出水口(4)。3.如權(quán)利要求1所述的一種長(zhǎng)脈沖高功率離子源電極柵冷卻水路及真空密封結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述水冷電極柵(2)的厚度為3.5mm±0.1mm，水冷電極柵(2)的平面尺寸為348mm*300mm，平面度0.08mm;在水冷電極柵(2)上分布有直徑大小為6.9mm的282個(gè)圓孔型離子束引出孔，每?jī)膳烹x子束引出孔之間分布冷卻水路，離子束引出孔壁面距離冷卻水路壁面的尺寸最小值為1_ ； 每層電極板有兩塊結(jié)構(gòu)相同的水冷電極柵(2)搭接而成，搭接角度177.8度，單塊水冷電極柵2的每個(gè)引出孔的軸向與水冷電極柵(2)水平面垂直，與支撐法蘭(I)水平面的角度為88.9度。4.如權(quán)利要求1所述的一種長(zhǎng)脈沖高功率離子源電極柵冷卻水路及真空密封結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述支撐法蘭(I)材料為316L不銹鋼，外形平面尺寸886mm*506mm，厚度30mm，法蘭主水路(5)截面直徑12mm，水管長(zhǎng)度640_，分水路共8路，截面直徑4_，法蘭分水路(6)周邊直徑為17mm的圓周上等角度分布四個(gè)M4螺絲孔，用于水路連接時(shí)的密封圈壓緊。5.如權(quán)利要求1所述的一種長(zhǎng)脈沖高功率離子源電極柵冷卻水路及真空密封結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的每塊水冷電極柵(2)上的電極柵分水路(8)共20路，每五路組成一電極柵主水路(7)，共有四路電極柵主水路(7)，四路電極柵主水路(7)的直徑4_，分布在在水冷電極柵(2)兩端； 電極柵主水路(7)在水冷電極柵(2)兩端區(qū)域由水冷電極柵(2)的水平方向變?yōu)榇怪狈较?，在水路連接面(9)上與法蘭分水路(6)通過O型氟橡膠密封圈，利用螺栓直接與支撐法蘭(I)壓緊連接； 在水路連接面(9)上每一出入口周邊制作外直徑11mm，內(nèi)直徑為6mm的密封槽，同時(shí)在密封槽外圍以出入口軸心為中心的直徑為17mm的圓周上等角度分布四個(gè)M4緊固螺栓，與支撐法蘭(I)上的每條法蘭分水路(6)周圍的四個(gè)螺紋孔對(duì)應(yīng)，在幾何空間上避開水冷電極柵(2)上的電極柵主水路(7)和數(shù)十條分電極柵分水路(8)，同時(shí)保證電極柵主水路(7)和電極柵分水路(8)的壁厚都大于1mm。
【文檔編號(hào)】H01J27/02GK205452229SQ201521129865
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2015年12月30日
【發(fā)明人】鄒桂清, 曹建勇, 闞存東
【申請(qǐng)人】核工業(yè)西南物理研究院, 北京利方達(dá)真空技術(shù)有限公司