一种等离子体与材料相互作用及原位综合测试系统

本发明属于核聚变，具体涉及一种等离子体与材料相互作用及原位综合测试系统。

背景技术：

1、受控热核聚变作为未来极具潜力的清洁能源方案，而等离子体与面向等离子体的材料、部件（尤其是偏滤器材料与偏滤器部件）的相互作用研究，是保障聚变装置长期、安全、稳定运行的核心基础技术之一。在托卡马克等磁约束聚变装置运行过程中，偏滤器及各类壁材料会持续遭受高通量等离子体束、高能离子的辐照冲击，引发物理溅射、化学刻蚀、杂质沉积、微观结构演化、元素成分改变以及燃料滞留等一系列问题，不仅会大幅缩短材料与部件的服役寿命，其产生的杂质还会污染主等离子体、降低等离子体约束性能，直接影响聚变装置的运行效率与安全性。因此，精准探究等离子体、离子辐照工况下材料表面微观结构演变、成分变化规律，同时完成偏滤器整机部件的辐照性能测试，对聚变材料选型、部件结构优化以及聚变装置工况迭代具有重要指导意义。

2、目前国内外针对等离子体、离子辐照下材料及部件的测试表征体系仍存在诸多短板，现有设备与测试方案难以兼顾原位同步测试、多工况兼容、真空环境连续检测等核心需求，具体问题体现在以下几个方面：

3、第一，无法实现等离子体辐照过程中材料微观结构的原位实时测试。现阶段主流测试模式以离线表征为主，即先将样品置于等离子体源或离子源中完成辐照处理，随后打破真空环境，取出样品转运至x射线衍射仪、质谱等独立设备中开展结构与成分检测。样品脱离真空环境后，极易发生氧化、吸附外界杂质，造成二次污染，导致测试结果偏离材料在真实辐照工况下的本征状态；同时离线测试无法捕捉等离子体束流动态作用过程中材料表面结构的瞬时变化，难以建立辐照参数与结构演化的精准对应关系，试验数据的完整性不足。

4、第二，离子辐照后成分检测流程繁琐，真空连续性差。现有离子辐照系统与质谱仪大多相互独立，样品经离子源辐照后，需要破真空、转运、重新抽真空才能完成成分测试，不仅大幅增加实验时长、降低试验效率，反复的真空切换也会扰动实验环境，引入系统误差，对于需要多组对比、连续变量测试的科研场景适用性较差。

5、第三，难以同时满足材料试样与偏滤器部件两类测试对象的试验需求。现有等离子体测试平台大多针对性设计，要么仅适用于小型标准材料样品的辐照测试，要么聚焦大型偏滤器部件整体试验，二者无法集成在同一套系统中，有需求的单位通常分别搭建两套独立试验装置，设备投入成本高、场地占用大，且两套装置的等离子体、离子工况难以保持完全一致，两组试验数据之间缺乏可比性，不利于系统性开展偏滤器材料与部件的联动研究。

6、第四，等离子体束流密度标定与辐照试验相分离。多数装置缺少集成化的束流密度检测模块，试验过程中无法实时标定样品所承受的等离子体束流密度，难以精准界定材料结构、成分变化与等离子体束流参数的对应关系。且现有测试设备存在功能分散、真空体系不连续、无法原位同步检测、试样兼容性差、参数标定缺失等一系列技术缺陷，亟需一套集成离子辐照、等离子体辐照、材料原位测试、原位成分分析、且兼顾偏滤器部件测试于一体的综合系统，在不破坏真空环境的前提下，完成不同辐照条件、不同测试对象的多维度原位表征，提升试验精度与试验效率，为等离子体与材料/部件相互作用机理研究提供可靠的硬件支撑。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

2、一种等离子体与材料相互作用及原位综合测试系统，包括：

3、离子辐照系统，包括离子辐照室、离子源及质谱仪；离子源与离子辐照室的轴心成一定角度且正对设置于材料测试系统的样品；质谱仪安装于离子辐照室的上方；

4、材料测试系统，设置于离子辐照系统内部，用于承载偏滤器材料样品，并可移动至等离子体与材料相互作用及原位综合测试系统的不同位置；

5、阀门组，连接于离子辐照系统与抽气管之间；

6、部件测试系统，用于搭载偏滤器部件；

7、抽气管，其径向一侧设置有部件馈入管，部件测试系统通过部件馈入管与抽气管相连；

8、等离子体作用系统，包括依次连接的部件作用真空室和材料作用真空室，以及安装于材料作用真空室端部的等离子体源；

9、超导磁体，同轴套设于等离子体作用系统的外部；

10、探针系统，安装于材料作用真空室的端部；

11、其中，离子辐照系统、阀门组、抽气管、等离子体作用系统、等离子体源及探针系统依次通过真空密封连接，超导磁体在等离子体作用系统的真空室的轴心处形成一束均匀磁场。

12、本发明具有以下有益效果：

13、本发明通过将质谱仪、x射线衍射仪等材料测试仪器直接和材料辐照系统集成，可以原位测试偏滤器材料或者偏滤器部件在等离子体作用时的结构性能发生的变化，和离子辐照后材料成分发生的变化，避免了传统的材料辐照处理后破真空转移到测试仪器过程中空气中物质对其的影响，同时可以原位测试材料结构性能在等离子体辐照时结构发生的变化，得到的数据更准确和真实，并且本发明设计了两种样品台兼顾了偏滤器材料和偏滤器部件两种测试筛选的需求，其中偏滤器材料测试样品台配备了靶板探针，可以在等离子体对样品进行辐照的时候，同时测试等离子体束流强度；在等离子体对偏滤器部件进行辐照的时候利用配备的快动探针测试等离子体束流强度。

1.一种等离子体与材料相互作用及原位综合测试系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的等离子体与材料相互作用及原位综合测试系统，其特征在于，材料测试系统包括用于承载偏滤器材料样品的样品台，样品台上搭载有靶板探针，靶板探针设置于被测的偏滤器材料样品背后，用于测试等离子体束流密度、电子温度和电子密度。

3.根据权利要求1所述的等离子体与材料相互作用及原位综合测试系统，其特征在于，部件测试系统包括偏滤器部件、部件分析交换室和部件测试推送机构；偏滤器部件由部件测试推送机构驱动，经部件馈入管从部件分析交换室推送至部件作用真空室中。

4.根据权利要求1所述的等离子体与材料相互作用及原位综合测试系统，其特征在于，等离子体作用系统还包括两个对称设置的斜窗口，分别设置于等离子体源的两侧；每个斜窗口通过光学窗口密封；x射线衍射仪的发射器和接收器分别安装于两个光学窗口的外部。

5.根据权利要求1所述的等离子体与材料相互作用及原位综合测试系统，其特征在于，抽气管包括抽口，抽口设置于抽气管的径向侧面顶端，用于连接抽气泵组的管道。

6.根据权利要求1所述的等离子体与材料相互作用及原位综合测试系统，其特征在于，部件馈入管与抽气管的轴心成一定角度，用于在被测的偏滤器部件推送至部件作用真空室的过程中导向和保持真空。

7.根据权利要求1所述的等离子体与材料相互作用及原位综合测试系统，其特征在于，离子辐照系统还包括第一快开门，设置于离子辐照室上，用于快速更换偏滤器材料样品。

8.根据权利要求3所述的等离子体与材料相互作用及原位综合测试系统，其特征在于，部件测试系统还包括第二快开门，设置于部件分析交换室上，用于在保持等离子体作用系统真空的条件下更换偏滤器部件。

9.根据权利要求1所述的等离子体与材料相互作用及原位综合测试系统，其特征在于，材料测试系统还包括材料样品加热系统，用于对偏滤器材料样品进行加热。

10.根据权利要求1所述的等离子体与材料相互作用及原位综合测试系统，其特征在于，离子辐照系统与等离子体作用系统分别设置于阀门组的两端，二者通过阀门组的阀门开合进行真空隔开或者连通。