本發(fā)明屬于一種高功率強(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)：

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，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。每層電極有幾百個直徑的圓形截面引出孔或者寬度為毫米量級的縫型截面引出孔。面對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用來引出高能離子,第二第三電極之間的電場用來加速離子，第三第四之間的電場抑制地電極區(qū)域的電子返流。當(dāng)高功率離子束引出時，由于粒子間的相互左右，將會有部分高能粒子轟擊到電極柵上，為了保證電極系統(tǒng)的長脈沖運(yùn)行，高功率離子源必須考慮電極的瞬時水冷。對于在高真空，高電場強(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。

根據(jù)離子束引出的理論知識，面對等離子體的第一電極柵的厚度需要盡可能的薄，一般為3mm到4mm范圍，第一電極與第二電極之間的距離為毫米量級，離子束引出區(qū)一般為幾百平方厘米，引出區(qū)間的電場強(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，由此無論是對于多孔型的還是多縫型的大尺寸毫米量級厚的電極柵板來說，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。目前實驗室用的兆瓦級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)用在由四個離子源構(gòu)成的一條中性束注入器上，由此對單個離子源整體空間結(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)明提出了一種針對圓孔型離子束引出孔電極的水路及其密封結(jié)構(gòu)

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對目前離子源水冷電極及其密封結(jié)構(gòu)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種長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)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣解決的：

一種長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，對稱布置在支撐法蘭兩側(cè)的長邊處，兩條法蘭主水路平行于長邊布置，由長方形的一端的寬邊延伸至長方形內(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。

一種長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，法蘭分水路以兩個水冷電極柵的拼接處為中心均勻分布，法蘭分水路一對一連接到電極柵主水路上，每個電極柵主水路分出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。

一種長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6.9mm的282個圓孔型離子束引出孔，每兩排離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；

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。

一種長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m4螺絲孔，用于水路連接時的密封圈壓緊。

一種長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；

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；

在水路連接面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m4緊固螺栓，與支撐法蘭上的每條法蘭分水路周圍的四個螺紋孔對應(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，同時保證 電極柵主水路和電極柵分水路的壁厚都大于1mm。

本發(fā)明的有益效果在于：

這種水路結(jié)構(gòu)不僅可以瞬時冷卻電極，確保電極柵板之間電場分布的均勻一致性，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

圖1為離子源四電極及其支撐法蘭

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

圖3為分布在電極柵及其法蘭上的水路結(jié)構(gòu)俯視圖

圖4為電極柵水路與法蘭水路及其連接面的側(cè)視圖

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。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

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1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。

這一水路結(jié)構(gòu)由兩個主要部件組成，一個是內(nèi)部帶有2條主水路與16條分水路的支撐法蘭1，另一個是內(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1內(nèi)部與支撐法蘭平行1布置。俯視支撐法蘭1為長方形，內(nèi)部的2條主水路與16條分水路分成兩組，對稱布置在支撐法蘭1兩側(cè)的長邊處，兩條法蘭主水路5平行于長邊布置，由長方形的一端的寬邊延伸至長方形內(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。

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1一側(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以兩個水冷電極柵2的拼接處為中心均勻分布，法蘭分水路6一對一連接到電極柵主水路7上，每個電極柵主水路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3一側(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1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。

冷卻水從與支撐法蘭1一側(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。

為了使得離子束在引出方向上具有一定的會聚角度，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的每個引出孔的軸向與水冷電極柵2水平面垂直，與支撐法蘭1水平面的角度為88.9度。

支撐法蘭1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，水管長度640mm，分水路共8路，截面直徑4mm，法蘭分水路6周邊直徑為17mm的圓周上等角度分布四個m4螺絲孔，用于水路連接時的密封圈壓緊，所有水路采用深孔鉆工藝，與支撐法蘭1整體加工成型。

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個圓孔型離子束引出孔，每兩排離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?，如圖4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1壓緊連接。

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m4緊固螺栓，與支撐法蘭1上的每條法蘭分水路6周圍的四個螺紋孔對應(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，同時保證電極柵主水路7和電極柵分水路8的壁厚都大于1mm。

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)百個離子束引出孔采用整體加工制作，四個螺栓緊固壓緊密封圈時，確保水冷電極柵2與支撐法蘭1裝配面緊密配合。