用于液氘状态方程研究的冷冻打靶系统及其操作方法
用于液氘状态方程研究的冷冻打靶系统及其操作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及真空低温技术和氘气性能的技术应用，具体涉及一种用于液氘状态方程研究的冷冻打靶系统及其操作方法，通过设计和制备一套液氘冷冻打靶系统，以应用于激光状态方程研究中液氘实验打靶，获取液氘的状态方程参数。
【背景技术】
[0002]氘是激光聚变实验中的重要燃料物质，低温下具有较高的初始燃料密度、较低的冲击波预热灵敏性，因此研究低温下液氘的状态方程，对点火靶参数设计、内爆压缩过程及效果、以及最终实现点火具有重要意义。
[0003]为实现液氘条件下的激光状态方程实验打靶研究，需要建立一套液氘冷冻打靶系统。目前，制备液氘冷冻靶主要有三个难点，第一、氘气的三相点为18.7K，液化点温度很低，涉及真空低温技术;第二、液氘靶的体积小、结构复杂、要求高，需要精密加工和装配;第三、液氘靶的容纳腔初始为空气，需要通过氘气的充气置换实现液氘靶内充入高纯氘气。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中存在的难点，本发明提供一种用于液氘状态方程研究的冷冻打靶系统及其操作方法，通过本发明的冷冻打靶系统能够获得高质量和高精度的激光状态方程实验数据。
[0005]为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为:
一种用于液氘状态方程研究的冷冻打靶系统，该系统包括液氘靶、液氘靶监测系统、充气置换系统、真空低温制冷系统和测控系统；
所述液氘靶包括靶芯、垫片、探测窗口、入射窗口和充气管，所述靶芯上开设有圆孔，所述圆孔与靶芯同轴设置，在靶芯的侧壁上设有连接孔，所述连接孔和圆孔相通，充气管与连接孔采用螺纹连接，在圆孔内壁上设有圆环形左侧壁和圆环形右侧壁，所述圆环形左侧壁和圆环形右侧壁均与圆孔内壁相垂直，所述入射窗口、探测窗口、圆环形左侧壁和圆环形右侧壁之间形成容纳腔；
所述液氘靶监测系统包括氦质谱检漏仪、平行光管、可见光CCD摄像机和激光速度干涉仪；
所述充气置换系统包括与液氘靶中充气管相连的第一气管，所述第一气管上依次设有第一压力表、节流阀、三通I和三通Π，所述三通I与氘气源相连，所述三通Π的一端与分子栗机组相连、三通π的另一端与液氘靶监测系统中氦质谱检漏仪相连；
所述真空低温制冷系统包括真空靶室，在真空靶室内部下方设有调节机构、在调节机构上设有制冷机，在制冷机的靶架的端部布设液氘靶，在靶架上设有CX1050温度传感器，所述温度传感器与测控系统相连，测量精度0.01K，控温精度0.03K，在真空靶室的下部设有与真空靶室相连通的第二气管，在第二气管上依次设有真空栗和用于检测真空靶室的第二压力表，所述测控系统分别通过电源线与第一压力表、节流阀相连，测控系统用于显示压力表上的压力和控制节流阀的流速，所述测控系统通过电源线与真空靶室中制冷机相连，用于控制制冷机的开启。
[0006]所述靶芯采用高导无氧铜材料制作，能够较快的速度将制冷机的冷量传递给靶芯内的氘气，使氘气液化。
[0007]所述探测窗口包括同轴设置的第一圆柱体和第二圆柱体，通过双圆柱体结构可控制容纳腔内液氘的厚度，以满足实验的需求，在双圆柱体结构的表面镀有增透膜，增加透射率。
[0008]所述充气管采用不锈钢毛细管制作，有利于靶芯的固定，且充气管形成气体物质进出容纳腔的通道，可以对进入容纳腔内的气体进行预冷，同时能够防止气体在进入容纳腔之前就液化而堵塞毛细孔。
[0009]为了获得低于氘气液化的温度，所述制冷机为日本住友SRDK-408S的GM制冷机，所述GM制冷机的二级冷头冷量为5.4ffil0Ko
[0010]—种用于液氘状态方程研究冷冻打靶系统的操作方法，包括以下步骤:
第一步，液氘靶的装配:将入射窗口置于圆环形左侧壁的外侧，在入射窗口的外侧装上垫片，然后用低温胶密封;第二步，将探测窗口的第一圆柱体左侧置于圆环形右侧壁一侧，探测窗口的第一圆柱体的右侧装上垫片，然后用低温胶密封，第三步，将充气管通过螺纹连接与连接孔相连，然后用低温胶密封，所述入射窗口和探测窗口与垫片之间均采用低温胶密封；
第二步，系统的安装、调试:
a、首先，通过调节机构进行液氘靶位置的调节，通过前后左右即空间位置的调整，将液氘靶位置粗调到靶点位置，然后将液氘靶置于靶架的一端，将第一气管与液氘靶的充气管相连，将第一压力表、节流阀、三通I和三通Π，分别依次安装在第一气管上，将氘气源连接在三通I上，将分子栗机组连接在三通Π的一个端口，氦质谱检漏仪连接在三通Π的另一个端口；在制冷机的靶架上设置温度传感器，将温度传感器与测控系统相连，将第二压力表和真空栗依次设置在第二气管上；
b、通过氦质谱检漏仪对液氘靶进行检漏:首先开启氦质谱检漏仪，等待系统预热结束，打开与氦质谱检漏仪相连的第一气管上的三通I和三通Π和节流阀，开始按氦质谱检漏仪上的测试键开始抽空检漏，在液氘靶边缘喷氦气观察漏率的变化并记录液氘靶的漏率，液氘靶的漏率低于10—1()Pa.m3/S，则判断液氘靶漏率小，可用于实验，液氘靶的漏率高于10—10Pa.m3/s，则判断液氘靶漏率大，不可用于实验；
第三步，充气置换;依次打开与分子栗机组相连的三通1、三通Π和节流阀，开启分子栗机组通过第一气管对液氘靶进行抽气，将压力抽至低于10—4Pa，关闭节流阀，打开与氘气源相连的三通I和节流阀，然后打开氘气源，通过第一气管对液氘靶充入氘气，充至压力为1.2-1.5atm，然后关闭节流阀，保压5-10min，按照上述流程循环反复抽气、充气5-8次，最后再打开与氘气源相连的三通I和节流阀，通过第一气管对液氘靶充入氘气，充入氘气的压力为1.2-1.5atm，最后关闭节流阀和気气源；
第四步，对真空靶室抽真空并降温:开启真空栗，将真空靶室内的压力抽至10—2Pa，然后开启制冷机，制冷70-80min，直至温度传感器的温度降为预冷温度25K，然后逐步控温至靶芯的温度至20 K-22 K，所述液氘靶中的氘气开始液化，所述氘气的降温和液化时间为1.5-2h，在氘气液化过程中通过真空靶室的采用平行光管、可见光CCD摄像机观察氘气的液化过程，激光速度干涉仪用于检测探测窗口表面剩余反射率判断液氘靶是否符合实验要求，所述氘气液化过程中控温精度为± 0.03K，然后再次通过调节机构将液氘靶调整到靶点位置。
[0011]本发明的技术方案是通过置换气体的方法让液氘靶获得高纯的氘气，采用GM制冷机制冷获得低温环境，让氘气在液氘靶中液化并保持液态直至激光打靶结束。
【附图说明】
[0012]图1为本发明中整个系统的结构示意图。
[0013]图2为液氘靶的结构示意图。
[0014]图3为靶芯的结构示意图。
【具体实施方式】
[0015]下面我们结合附图和实施打靶流程对本发明做进一步说明，以求更清楚理解其结构和工作过程，但不应以限制本发明的保护范围。
[0016]实施例1
如图1-3所示，本实施例用于液氘状态方程研究的冷冻打靶系统，该系统包括液氘靶1、液氘靶靶监测系统、充气置换系统、真空低温制冷系统和测控系统18;
所述液氘靶1包括靶芯1-1、垫片1-2、探测窗口 1-3、入射窗口 1-4和充气管1-5，所述靶芯1-1上开设有圆孔1-6，所述圆孔1-6与靶芯1-1同轴设置，在靶芯1-1的侧壁上设有连接孔1-7，所述连接孔1-7和圆孔1-6相通，充气管1-5与连接孔1-7相连接，在靶芯1-1内壁设有圆环形左侧壁1-8和圆环形右侧壁1-9，所述入射窗口 1-4、探测窗口 1-3、圆环形左侧壁1-8和圆环形右侧壁1-9之间形成容纳腔1-10;所述液氘靶监测系统包括氦质谱检漏仪2、平行光管、可见光CCD摄像机和激光速度干涉仪;所述充气置换系统包括与液氘靶1中充气管1-5相连的第一气管3，所述第一气管3上依次设有第一压力表4、节流阀5、三通16和三通Π 7，所述三通16与氘气源8相连，所述三通Π 7的一端与分子栗机组9相连、三通Π 7的另一端与液氘靶监测系统中氦质谱检漏仪2相连;所述真空低温制冷系统包括真空靶室10，在真空靶室10内部下方 设有调节机构11、在调节机构上设有制冷机12，在制冷机12的靶架13的端部布设液氘靶，在靶架13上设有温度传感器14，所述温度传感器14与测控系统相连，在真空靶室10的下部设有与真空靶室10相连通的第二气管15，在第二气管15上依次设有第二压力表16和真空栗17，所述测控系统18分别通过电源线与第一压力表4、节流阀5相连;在所述真空靶室10上设有用于检测真空靶室10的压力表。
[0017]作为本实施例的优选，所述靶芯1-1采用高导无氧铜材料制作；充气管1-5采用不锈钢毛细管制作;所述探测窗口 1-3包括同轴设置的第一圆柱体31和第二圆柱体32，通过调节第二圆柱体32的厚度，从而实现容纳腔的厚度的调节，以满足不同厚度液氘的实验需求。
[0018]做为本实施例的进一步优选，为保证制冷效果，所述制冷机为GM制冷机，所述GM制冷机的二级冷头冷量为5.4ffil0Ko
[0019]本实施例用于液氘状态方程研究冷冻打靶系统的操作方法，包括以下步骤:
第一步，液氘靶的装配:将入射窗口 1-4置于圆环形左侧壁1-8的外侧，在入射窗口 1-4的外侧装上垫片1-2，然后用低温胶密封;第二步，将探测窗口 1-3的第一圆柱体31左侧置于圆环形右侧壁1-9 一侧，探测窗口 1-3的第一圆柱体31的右侧装上垫片1-2，然后用低温胶密封，第三步，将充气管1-5通过螺纹连接与连接孔1-7相连，然后用低温胶密封，所述入射窗口 1-4和探测窗口 1-3与垫片1-2之间均采用低温胶密封；
第二步，系统的安装、调试:
a、首先，通过调节机构11进行液氘靶位置的调节，通过前后左右即空间位置的调整，将液氘靶位置粗调到靶点位置，然后将液氘靶1置于靶架13的一端，将第一气管3与液氘靶1的充气管1-5相连，将第一压力表4、节流阀5、三通16和三通Π 7，分别依次安装在第一气管3上，将氘气源8连接在三通16上，将分子栗机组9连接在三通Π 7的一个端口，氦质谱检漏仪2连接在三通Π 7的另一个端口；在制冷机12的靶架13上设置温度传感器14，将温度传感器14与测控系统18相连，将第二压力表16和真空栗17依次设置在第二气管15上；
b、通过氦质谱检漏仪2对液氘靶1进行检漏:首先开启氦质谱检漏仪2，等待系统预热结束，依次打开与氦质谱检漏仪2相连第一气管3上的三通16、三通Π 7和节流阀5，开始按氦质谱检漏仪2上的测试键开始抽空检漏，在液氘靶边缘喷氦气观察漏率的变化并记录液氘靶的漏率，液氘靶的漏率低于10—1()Pa.m3/S，则判断液氘靶漏率小，可用于实验，液氘靶的漏率高于10—1()Pa.m3/s，则判断液氘靶漏率大，不可用于实验；
第三步，充气置换;依次打开与分子栗机组9相连的三通16、三通Π 7和节流阀5，开启分子栗机组9通过第一气管3对液氘靶1进行抽气，将压力抽至低于10—4Pa，关闭节流阀5，打开与氘气源8相连的三通16和节流阀5，然后打开氘气源8，通过第一气管3对液氘靶充入氘气，充至压力为1.2atm，然后关闭节流阀5，保压lOmin，按照上述流程循环反复抽气、充气8次，最后再打开与氘气源8相连的三通16和节流阀5，通过第一气管3对液氘靶充入氘气，充入氘气的压力为1.2atm，最后关闭节流阀5和氘气源8;
第四步，对真空靶室抽真空并降温:开启真空栗17，将真空靶室10内的压力抽至10—2Pa，然后开启制冷机12，制冷70min，直至温度传感器的温度降为预冷温度25K，然后逐步控温至靶芯1-1的温度至22K，所述液氘靶中的氘气开始液化，所述氘气的降温和液化时间为1.5h，在氘气液化过程中通过真空靶室10的采用平行光管、可见光CCD摄像机和激光速度干涉仪观察氘气的液化过程，激光速度干涉仪用于检测探测窗口 1-3表面剩余反射率判断液氘靶是否符合实验要求，所述氘气液化过程中控温精度为±0.03K，然后再次通过调节机构将液氘靶调整到靶点位置。
[0020]实施例2
如图1-3所示，本实施例用于液氘状态方程研究的冷冻打靶系统，该系统包括液氘靶1、液氘靶监测系统、充气置换系统、真空低温制冷系统和测控系统18;
所述液氘靶1包括靶芯1-1、垫片1-2、探测窗口 1-3、入射窗口 1-4和充气管1-5，所述靶芯1-1上开设有圆孔1-6，所述圆孔1-6与靶芯1-1同轴设置，在靶芯1-1的侧壁上设有连接孔1-7，所述连接孔1-7和圆孔1-6相通，充气管1-5与连接孔1-7相连接，在靶芯1-1内壁设有圆环形左侧壁1-8和圆环形右侧壁1-9，所述入射窗口 1-4、探测窗口 1-3、圆环形左侧壁1-8和圆环形右侧壁1-9之间形成容纳腔1-10;所述液氘靶监测系统包括氦质谱检漏仪2、平行光管、可见光CCD摄像机和激光速度干涉仪;所述充气置换系统包括与液氘靶1中充气管1-5相连的第一气管3，所述第一气管3上依次设有第一压力表4、节流阀5、三通16和三通Π 7，所述三通16与氘气源8相连，所述三通Π 7的一端与分子栗机组9相连、三通Π 7的另一端与液氘靶监测系统中氦质谱检漏仪2相连;所述真空低温制冷系统包括真空靶室10，在真空靶室10内部下方设有调节机构11、在调节机构上设有制冷机12，在制冷机12的靶架13的端部布设液氘靶，在靶架13上设有温度传感器14，所述温度传感器14与测控系统相连，在真空靶室10的下部设有与真空靶室10相连通的第二气管15，在第二气管15上依次设有第二压力表16和真空栗17，所述测控系统18分别通过电源线与第一压力表4、节流阀5相连;在所述真空靶室10上设有用于检测真空靶室10的压力表。
[0021]作为本实施例的优选，所述靶芯1-1采用高导无氧铜材料制作；充气管1-5采用不锈钢毛细管制作;所述探测窗口 1-3包括同轴设置的第一圆柱体31和第二圆柱体32，通过调节第二圆柱体32的厚度，从而实现容纳腔的厚度的调节，以满足不同厚度液氘的实验需求。
[0022]做为本实施例的进一步优选，为保证制冷效果，所述制冷机为GM制冷机，所述GM制冷机的二级冷头冷量为5.4ffil0Ko
[0023]本实施例用于液氘状态方程研究的冷冻打靶系统的操作方法，包括以下步骤: 第一步，液氘靶的装配:将入射窗口 1-4置于圆环形左侧壁1-8的外侧，在入射窗口 1-4
的外侧装上垫片1-2，然后用低温胶密封;第二步，将探测窗口 1-3的第一圆柱体31左侧置于圆环形右侧壁1-9 一侧，探测窗口 1-3的第一圆柱体31的右侧装上垫片1-2，然后用低温胶密封，第三步，将充气管1-5通过螺纹连接与连接孔1-7相连，然后用低温胶密封，所述入射窗口 1-4和探测窗口 1-3与垫片1-2之间均采用低温胶密封；
第二步，系统的安装、调试:
a、首先，通过调节机构11进行液氘靶位置的调节，通过前后左右即空间位置的调整，将液氘靶位置粗调到靶点位置，然后将液氘靶1置于靶架13的一端，将第一气管3与液氘靶1的充气管1-5相连，将第一压力表4、节流阀5、三通16和三通Π 7，分别依次安装在第一气管3上，将氘气源8连接在三通16上，将分子栗机组9连接在三通Π 7的一个端口，氦质谱检漏仪2连接在三通Π 7的另一个端口；在制冷机12的靶架13上设置温度传感器14，将温度传感器14与测控系统18相连，将第二压力表16和真空栗17依次设置在第二气管15上；
b、通过氦质谱检漏仪2对液氘靶1进行检漏:首先开启氦质谱检漏仪2，等待系统预热结束，依次打开与氦质谱检漏仪2相连第一气管3上的三通16和三通Π 7和节流阀5，开始按氦质谱检漏仪2上的测试键开始抽空检漏，在液氘靶边缘喷氦气观察漏率的变化并记录液氘靶的漏率，液氘靶的漏率低于10—1()Pa.m3/S，则判断液氘靶漏率小，可用于实验，液氘靶的漏率高于10—1()Pa.m3/s，则判断液氘靶漏率大，不可用于实验；
第三步，充气置换;依次打开与分子栗机组9相连的三通16、三通Π 7和节流阀5，开启分子栗机组9通过第一气管3对液氘靶1进行抽气，将压力抽至低于10—4Pa，关闭节流阀5，打开与氘气源8相连的三通16和节流阀5，然后打开氘气源8，通过第一气管3对液氘靶充入氘气，充至压力为1.5atm，保 压5min，然后关闭节流阀5，按照上述流程循环反复抽气、充气8次，最后再打开与氘气源8相连的三通16和节流阀5，通过第一气管3对液氘靶充入氘气，充入氘气的压力为1.5atm，最后关闭节流阀5和氖气源8;
第四步，对真空靶室抽真空并降温:开启真空栗17，将真空靶室10内的压力抽至10—2Pa，然后开启制冷机12，制冷80min，直至温度传感器的温度降为预冷温度25K，然后逐步控温至靶芯1-1的温度至20K，所述液氘靶中的氘气开始液化，所述氘气的降温和液化时间为2h，在氘气液化过程中通过真空靶室10的采用平行光管、可见光CCD摄像机和激光速度干涉仪观察氘气的液化过程，激光速度干涉仪用于检测探测窗口 1-3表面剩余反射率判断液氘靶是否符合实验要求，所述氘气液化过程中控温精度为±0.03K，然后再次通过调节机构将液氘靶调整到靶点位置。
[0024]本发明中测控系统18能显示第一压力表的压力、能控制流量阀中气体的流速、能监控靶室中的真空度，并控制制冷机的开启。
【主权项】
1.一种用于液氘状态方程研究的冷冻打靶系统，其特征在于，该系统包括液氘靶(1)、液氘靶监测系统、充气置换系统、真空低温制冷系统和测控系统(18); 所述液氘靶(1)包括靶芯(1-1 )、垫片(1-2)、探测窗口( 1-3)、入射窗口( 1-4)和充气管(1-5)，所述靶芯(1-1)上开设有圆孔(1-6)，所述圆孔(1-6)与靶芯(1-1)同轴设置，在靶芯(1-1)的侧壁上设有连接孔(1-7)，所述连接孔(1-7)和圆孔(1-6)相通，充气管(1-5)与连接孔(1-7)采用螺纹连接，在圆孔(1-6)内壁上设有圆环形左侧壁(1-8)和圆环形右侧壁α-9)，所述圆环形左侧壁 (1-8) 和圆环形右侧壁 (1-9) 均与圆孔内壁相垂直，所述入射窗口 (1-4)、探测窗口(1-3)、圆环形左侧壁(1-8)和圆环形右侧壁(1-9)之间形成容纳腔(1-10); 所述液氘靶监测系统包括氦质谱检漏仪(2)、平行光管、可见光CCD摄像机和激光速度干涉仪； 所述充气置换系统包括与液氘靶(1)中充气管(1-5)相连的第一气管(3)，所述第一气管(3)上依次设有第一压力表(4)、节流阀(5)、三通1(6)和三通Π (7)，所述三通1(6)与氘气源(8)相连，所述三通Π (7)的一端与分子栗机组(9)相连、三通Π (7)的另一端与液氘靶监测系统中氦质谱检漏仪(2)相连； 所述真空低温制冷系统包括真空靶室(10)，在真空靶室(10)内部下方设有调节机构(11 )、在调节机构上设有制冷机(12)，在制冷机(12)的靶架(13)的端部布设液氘靶，在靶架(13)上设有温度传感器(14)，所述温度传感器(14)与测控系统相连，在真空靶室(10)的下部设有与真空靶室(10)相连通的第二气管(15)，在第二气管(15)上依次设有用于检测真空靶室的第二压力表(16)和真空栗(17)，所述测控系统(18)分别通过电源线与第一压力表(4)、节流阀(5)相连，测控系统(18)用于显示压力表上的压力和控制节流阀的流速，所述测控系统(18)通过电源线与真空靶室中制冷机(12)相连。2.根据权利要求1所述的用于液氘状态方程研究的冷冻打靶系统，其特征在于，所述靶芯(1-1)采用高导无氧铜材料制作。3.根据权利要求1所述的用于液氘状态方程研究的冷冻打靶系统，其特征在于，所述探测窗口(1-3)包括同轴设置的第一圆柱体(31)和第二圆柱体(32)，所述第一圆柱体(31)的外径与圆孔(1-6)间隙配合，所述第二圆柱体(32)的外径小于容纳腔的直径。4.根据权利要求1-3任一所述的用于液氘状态方程研究的冷冻打靶系统，其特征在于，所述充气管(1-5)采用不锈钢毛细管制作。5.—种权利要求4所述的用于液氘状态方程研究的冷冻打靶系统的操作方法，其特征在于包括以下步骤: 第一步，液氘靶的装配:将入射窗口(1-4)置于圆环形左侧壁(1-8)的外侧，在入射窗口(1-4)的外侧装上垫片(1-2)，然后用低温胶密封;第二步，将探测窗口(1-3)的第一圆柱体(31)左侧置于圆环形右侧壁(1-9)一侧，探测窗口(1-3)的第一圆柱体(31)的右侧装上垫片(1-2)，然后用低温胶密封，第三步，将充气管(1-5)通过螺纹连接与连接孔(1-7)相连，然后用低温胶密封，所述入射窗口(1-4)和探测窗口(1-3)与垫片(1-2)之间均采用低温胶密封； 第二步，系统的安装、调试: a、首先，通过调节机构(11)进行液氘靶位置的调节，通过前后左右即空间位置的调整，将液氘靶位置粗调到靶点位置，然后将液氘靶(1)置于靶架(13)的一端，将第一气管(3)与液氘靶(1)的充气管(1-5)相连，将第一压力表(4)、节流阀(5)、三通1(6)和三通Π (7)，分别依次安装在第一气管(3)上，将氘气源(8)连接在三通1(6)上，将分子栗机组(9)连接在三通Π (7)的一个端口，氦质谱检漏仪(2)连接在三通Π (7)的另一个端口 ；在制冷机(12)的靶架(13)上设置温度传感器(14)，将温度传感器(14)与测控系统(18)相连，将第二压力表(16)和真空栗(17)依次设置在第二气管(15)上； b、通过氦质谱检漏仪(2)对液氘靶(1)进行检漏:首先开启氦质谱检漏仪(2)，等待系统预热结束，打开与氦质谱检漏仪(2)相连的第一气管(3)上的三通1(6)和三通Π (7)和节流阀(5)，开始按氦质谱检漏仪(2)上的测试键开始抽空检漏，在液氘靶边缘喷氦气观察漏率的变化并记录液氘靶的漏率，液氘靶的漏率低于10—1()Pa.m3/S，则判断液氘靶漏率小，可用于实验，液氘靶的漏率高于10—1()Pa.m3/s，则判断液氘靶漏率大，不可用于实验； 第三步，充气置换；依次打开与分子栗机组(9)相连的三通1(6)、三通Π (7)和节流阀(5)，开启分子栗机组(9)通过第一气管(3)对液氘靶(1)进行抽气，将压力抽至低于10—4Pa，关闭节流阀(5)，打开与氘气源(8)相连的三通1(6)和节流阀(5)，然后打开氘气源(8)，通过第一气管(3)对液氘靶充入氘气，充至压力为1.2-1.5atm，然后关闭节流阀(5)，保压5-lOmin，按照上述流程循环反复抽气、充气5-8次，最后再打开与氘气源(8)相连的三通1(6)和节流阀(5)，通过第一气管(3)对液氘靶充入氘气，充入氘气的压力为1.2-1.5atm，最后关闭节流阀(5)和氘气源(8); 第四步，对真空靶室抽真空并降温:开启真空栗(17)，将真空靶室(10)内的压力抽至10—2Pa，然后开启制冷机(12)，制冷70-80min，直至温度传感器的温度降为预冷温度25K，然后逐步控温至靶芯(1-1)的温度至20 K-22 K，所述液氘靶中的氘气开始液化，所述氘气的降温和液化时间为1.5-2h，在氘气液化过程中通过真空靶室(10)的采用平行光管、可见光(XD摄像机观察氘气的液化过程，激光速度干涉仪用于检测探测窗口(1-3)表面剩余反射率判断液氘靶是否符合实验要求，所述氘气液化过程中控温精度为±0.03K，然后再次通过调节机构将液氘靶调整到靶点位置。
【专利摘要】本发明涉及一种用于液氘状态方程研究的冷冻打靶系统，该系统包括液氘靶、液氘靶监测系统、充气置换系统、真空低温制冷系统和测控系统；液氘靶包括靶芯、垫片、探测窗口、入射窗口和充气管，液氘靶监测系统包括氦质谱检漏仪、平行光管、可见光CCD摄像机和激光速度干涉仪；氦质谱检漏仪用于液氘靶的漏率检测，平行光管和可见光CCD摄像机可观测降温过程中氘气在液氘靶中液化的过程，激光速度干涉仪用于液氘靶探测窗口表面剩余反射率的检测，判断靶是否符合实验要求；本发明通过置换气体让液氘靶获得高纯的氘气，采用GM制冷机制冷获得低温环境，让氘气在液氘靶中液化，通过测控系统让液氘温度可控且稳定。
【IPC分类】G21B3/00
【公开号】CN105489253
【申请号】CN201510858960
【发明人】叶君建, 谢志勇, 叶海峰, 黄秀光, 方智恒, 贾果, 舒桦, 董佳钦, 涂昱淳, 丁先康, 傅思祖
【申请人】中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月1日
【技术领域】
[0001]本发明涉及真空低温技术和氘气性能的技术应用，具体涉及一种用于液氘状态方程研究的冷冻打靶系统及其操作方法，通过设计和制备一套液氘冷冻打靶系统，以应用于激光状态方程研究中液氘实验打靶，获取液氘的状态方程参数。
【背景技术】
[0002]氘是激光聚变实验中的重要燃料物质，低温下具有较高的初始燃料密度、较低的冲击波预热灵敏性，因此研究低温下液氘的状态方程，对点火靶参数设计、内爆压缩过程及效果、以及最终实现点火具有重要意义。
[0003]为实现液氘条件下的激光状态方程实验打靶研究，需要建立一套液氘冷冻打靶系统。目前，制备液氘冷冻靶主要有三个难点，第一、氘气的三相点为18.7K，液化点温度很低，涉及真空低温技术;第二、液氘靶的体积小、结构复杂、要求高，需要精密加工和装配;第三、液氘靶的容纳腔初始为空气，需要通过氘气的充气置换实现液氘靶内充入高纯氘气。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中存在的难点，本发明提供一种用于液氘状态方程研究的冷冻打靶系统及其操作方法，通过本发明的冷冻打靶系统能够获得高质量和高精度的激光状态方程实验数据。
[0005]为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为:
一种用于液氘状态方程研究的冷冻打靶系统，该系统包括液氘靶、液氘靶监测系统、充气置换系统、真空低温制冷系统和测控系统；
所述液氘靶包括靶芯、垫片、探测窗口、入射窗口和充气管，所述靶芯上开设有圆孔，所述圆孔与靶芯同轴设置，在靶芯的侧壁上设有连接孔，所述连接孔和圆孔相通，充气管与连接孔采用螺纹连接，在圆孔内壁上设有圆环形左侧壁和圆环形右侧壁，所述圆环形左侧壁和圆环形右侧壁均与圆孔内壁相垂直，所述入射窗口、探测窗口、圆环形左侧壁和圆环形右侧壁之间形成容纳腔；
所述液氘靶监测系统包括氦质谱检漏仪、平行光管、可见光CCD摄像机和激光速度干涉仪；
所述充气置换系统包括与液氘靶中充气管相连的第一气管，所述第一气管上依次设有第一压力表、节流阀、三通I和三通Π，所述三通I与氘气源相连，所述三通Π的一端与分子栗机组相连、三通π的另一端与液氘靶监测系统中氦质谱检漏仪相连；
所述真空低温制冷系统包括真空靶室，在真空靶室内部下方设有调节机构、在调节机构上设有制冷机，在制冷机的靶架的端部布设液氘靶，在靶架上设有CX1050温度传感器，所述温度传感器与测控系统相连，测量精度0.01K，控温精度0.03K，在真空靶室的下部设有与真空靶室相连通的第二气管，在第二气管上依次设有真空栗和用于检测真空靶室的第二压力表，所述测控系统分别通过电源线与第一压力表、节流阀相连，测控系统用于显示压力表上的压力和控制节流阀的流速，所述测控系统通过电源线与真空靶室中制冷机相连，用于控制制冷机的开启。
[0006]所述靶芯采用高导无氧铜材料制作，能够较快的速度将制冷机的冷量传递给靶芯内的氘气，使氘气液化。
[0007]所述探测窗口包括同轴设置的第一圆柱体和第二圆柱体，通过双圆柱体结构可控制容纳腔内液氘的厚度，以满足实验的需求，在双圆柱体结构的表面镀有增透膜，增加透射率。
[0008]所述充气管采用不锈钢毛细管制作，有利于靶芯的固定，且充气管形成气体物质进出容纳腔的通道，可以对进入容纳腔内的气体进行预冷，同时能够防止气体在进入容纳腔之前就液化而堵塞毛细孔。
[0009]为了获得低于氘气液化的温度，所述制冷机为日本住友SRDK-408S的GM制冷机，所述GM制冷机的二级冷头冷量为5.4ffil0Ko
[0010]—种用于液氘状态方程研究冷冻打靶系统的操作方法，包括以下步骤:
第一步，液氘靶的装配:将入射窗口置于圆环形左侧壁的外侧，在入射窗口的外侧装上垫片，然后用低温胶密封;第二步，将探测窗口的第一圆柱体左侧置于圆环形右侧壁一侧，探测窗口的第一圆柱体的右侧装上垫片，然后用低温胶密封，第三步，将充气管通过螺纹连接与连接孔相连，然后用低温胶密封，所述入射窗口和探测窗口与垫片之间均采用低温胶密封；
第二步，系统的安装、调试:
a、首先，通过调节机构进行液氘靶位置的调节，通过前后左右即空间位置的调整，将液氘靶位置粗调到靶点位置，然后将液氘靶置于靶架的一端，将第一气管与液氘靶的充气管相连，将第一压力表、节流阀、三通I和三通Π，分别依次安装在第一气管上，将氘气源连接在三通I上，将分子栗机组连接在三通Π的一个端口，氦质谱检漏仪连接在三通Π的另一个端口；在制冷机的靶架上设置温度传感器，将温度传感器与测控系统相连，将第二压力表和真空栗依次设置在第二气管上；
b、通过氦质谱检漏仪对液氘靶进行检漏:首先开启氦质谱检漏仪，等待系统预热结束，打开与氦质谱检漏仪相连的第一气管上的三通I和三通Π和节流阀，开始按氦质谱检漏仪上的测试键开始抽空检漏，在液氘靶边缘喷氦气观察漏率的变化并记录液氘靶的漏率，液氘靶的漏率低于10—1()Pa.m3/S，则判断液氘靶漏率小，可用于实验，液氘靶的漏率高于10—10Pa.m3/s，则判断液氘靶漏率大，不可用于实验；
第三步，充气置换;依次打开与分子栗机组相连的三通1、三通Π和节流阀，开启分子栗机组通过第一气管对液氘靶进行抽气，将压力抽至低于10—4Pa，关闭节流阀，打开与氘气源相连的三通I和节流阀，然后打开氘气源，通过第一气管对液氘靶充入氘气，充至压力为1.2-1.5atm，然后关闭节流阀，保压5-10min，按照上述流程循环反复抽气、充气5-8次，最后再打开与氘气源相连的三通I和节流阀，通过第一气管对液氘靶充入氘气，充入氘气的压力为1.2-1.5atm，最后关闭节流阀和気气源；
第四步，对真空靶室抽真空并降温:开启真空栗，将真空靶室内的压力抽至10—2Pa，然后开启制冷机，制冷70-80min，直至温度传感器的温度降为预冷温度25K，然后逐步控温至靶芯的温度至20 K-22 K，所述液氘靶中的氘气开始液化，所述氘气的降温和液化时间为1.5-2h，在氘气液化过程中通过真空靶室的采用平行光管、可见光CCD摄像机观察氘气的液化过程，激光速度干涉仪用于检测探测窗口表面剩余反射率判断液氘靶是否符合实验要求，所述氘气液化过程中控温精度为± 0.03K，然后再次通过调节机构将液氘靶调整到靶点位置。
[0011]本发明的技术方案是通过置换气体的方法让液氘靶获得高纯的氘气，采用GM制冷机制冷获得低温环境，让氘气在液氘靶中液化并保持液态直至激光打靶结束。
【附图说明】
[0012]图1为本发明中整个系统的结构示意图。
[0013]图2为液氘靶的结构示意图。
[0014]图3为靶芯的结构示意图。
【具体实施方式】
[0015]下面我们结合附图和实施打靶流程对本发明做进一步说明，以求更清楚理解其结构和工作过程，但不应以限制本发明的保护范围。
[0016]实施例1
如图1-3所示，本实施例用于液氘状态方程研究的冷冻打靶系统，该系统包括液氘靶1、液氘靶靶监测系统、充气置换系统、真空低温制冷系统和测控系统18;
所述液氘靶1包括靶芯1-1、垫片1-2、探测窗口 1-3、入射窗口 1-4和充气管1-5，所述靶芯1-1上开设有圆孔1-6，所述圆孔1-6与靶芯1-1同轴设置，在靶芯1-1的侧壁上设有连接孔1-7，所述连接孔1-7和圆孔1-6相通，充气管1-5与连接孔1-7相连接，在靶芯1-1内壁设有圆环形左侧壁1-8和圆环形右侧壁1-9，所述入射窗口 1-4、探测窗口 1-3、圆环形左侧壁1-8和圆环形右侧壁1-9之间形成容纳腔1-10;所述液氘靶监测系统包括氦质谱检漏仪2、平行光管、可见光CCD摄像机和激光速度干涉仪;所述充气置换系统包括与液氘靶1中充气管1-5相连的第一气管3，所述第一气管3上依次设有第一压力表4、节流阀5、三通16和三通Π 7，所述三通16与氘气源8相连，所述三通Π 7的一端与分子栗机组9相连、三通Π 7的另一端与液氘靶监测系统中氦质谱检漏仪2相连;所述真空低温制冷系统包括真空靶室10，在真空靶室10内部下方 设有调节机构11、在调节机构上设有制冷机12，在制冷机12的靶架13的端部布设液氘靶，在靶架13上设有温度传感器14，所述温度传感器14与测控系统相连，在真空靶室10的下部设有与真空靶室10相连通的第二气管15，在第二气管15上依次设有第二压力表16和真空栗17，所述测控系统18分别通过电源线与第一压力表4、节流阀5相连;在所述真空靶室10上设有用于检测真空靶室10的压力表。
[0017]作为本实施例的优选，所述靶芯1-1采用高导无氧铜材料制作；充气管1-5采用不锈钢毛细管制作;所述探测窗口 1-3包括同轴设置的第一圆柱体31和第二圆柱体32，通过调节第二圆柱体32的厚度，从而实现容纳腔的厚度的调节，以满足不同厚度液氘的实验需求。
[0018]做为本实施例的进一步优选，为保证制冷效果，所述制冷机为GM制冷机，所述GM制冷机的二级冷头冷量为5.4ffil0Ko
[0019]本实施例用于液氘状态方程研究冷冻打靶系统的操作方法，包括以下步骤:
第一步，液氘靶的装配:将入射窗口 1-4置于圆环形左侧壁1-8的外侧，在入射窗口 1-4的外侧装上垫片1-2，然后用低温胶密封;第二步，将探测窗口 1-3的第一圆柱体31左侧置于圆环形右侧壁1-9 一侧，探测窗口 1-3的第一圆柱体31的右侧装上垫片1-2，然后用低温胶密封，第三步，将充气管1-5通过螺纹连接与连接孔1-7相连，然后用低温胶密封，所述入射窗口 1-4和探测窗口 1-3与垫片1-2之间均采用低温胶密封；
第二步，系统的安装、调试:
a、首先，通过调节机构11进行液氘靶位置的调节，通过前后左右即空间位置的调整，将液氘靶位置粗调到靶点位置，然后将液氘靶1置于靶架13的一端，将第一气管3与液氘靶1的充气管1-5相连，将第一压力表4、节流阀5、三通16和三通Π 7，分别依次安装在第一气管3上，将氘气源8连接在三通16上，将分子栗机组9连接在三通Π 7的一个端口，氦质谱检漏仪2连接在三通Π 7的另一个端口；在制冷机12的靶架13上设置温度传感器14，将温度传感器14与测控系统18相连，将第二压力表16和真空栗17依次设置在第二气管15上；
b、通过氦质谱检漏仪2对液氘靶1进行检漏:首先开启氦质谱检漏仪2，等待系统预热结束，依次打开与氦质谱检漏仪2相连第一气管3上的三通16、三通Π 7和节流阀5，开始按氦质谱检漏仪2上的测试键开始抽空检漏，在液氘靶边缘喷氦气观察漏率的变化并记录液氘靶的漏率，液氘靶的漏率低于10—1()Pa.m3/S，则判断液氘靶漏率小，可用于实验，液氘靶的漏率高于10—1()Pa.m3/s，则判断液氘靶漏率大，不可用于实验；
第三步，充气置换;依次打开与分子栗机组9相连的三通16、三通Π 7和节流阀5，开启分子栗机组9通过第一气管3对液氘靶1进行抽气，将压力抽至低于10—4Pa，关闭节流阀5，打开与氘气源8相连的三通16和节流阀5，然后打开氘气源8，通过第一气管3对液氘靶充入氘气，充至压力为1.2atm，然后关闭节流阀5，保压lOmin，按照上述流程循环反复抽气、充气8次，最后再打开与氘气源8相连的三通16和节流阀5，通过第一气管3对液氘靶充入氘气，充入氘气的压力为1.2atm，最后关闭节流阀5和氘气源8;
第四步，对真空靶室抽真空并降温:开启真空栗17，将真空靶室10内的压力抽至10—2Pa，然后开启制冷机12，制冷70min，直至温度传感器的温度降为预冷温度25K，然后逐步控温至靶芯1-1的温度至22K，所述液氘靶中的氘气开始液化，所述氘气的降温和液化时间为1.5h，在氘气液化过程中通过真空靶室10的采用平行光管、可见光CCD摄像机和激光速度干涉仪观察氘气的液化过程，激光速度干涉仪用于检测探测窗口 1-3表面剩余反射率判断液氘靶是否符合实验要求，所述氘气液化过程中控温精度为±0.03K，然后再次通过调节机构将液氘靶调整到靶点位置。
[0020]实施例2
如图1-3所示，本实施例用于液氘状态方程研究的冷冻打靶系统，该系统包括液氘靶1、液氘靶监测系统、充气置换系统、真空低温制冷系统和测控系统18;
所述液氘靶1包括靶芯1-1、垫片1-2、探测窗口 1-3、入射窗口 1-4和充气管1-5，所述靶芯1-1上开设有圆孔1-6，所述圆孔1-6与靶芯1-1同轴设置，在靶芯1-1的侧壁上设有连接孔1-7，所述连接孔1-7和圆孔1-6相通，充气管1-5与连接孔1-7相连接，在靶芯1-1内壁设有圆环形左侧壁1-8和圆环形右侧壁1-9，所述入射窗口 1-4、探测窗口 1-3、圆环形左侧壁1-8和圆环形右侧壁1-9之间形成容纳腔1-10;所述液氘靶监测系统包括氦质谱检漏仪2、平行光管、可见光CCD摄像机和激光速度干涉仪;所述充气置换系统包括与液氘靶1中充气管1-5相连的第一气管3，所述第一气管3上依次设有第一压力表4、节流阀5、三通16和三通Π 7，所述三通16与氘气源8相连，所述三通Π 7的一端与分子栗机组9相连、三通Π 7的另一端与液氘靶监测系统中氦质谱检漏仪2相连;所述真空低温制冷系统包括真空靶室10，在真空靶室10内部下方设有调节机构11、在调节机构上设有制冷机12，在制冷机12的靶架13的端部布设液氘靶，在靶架13上设有温度传感器14，所述温度传感器14与测控系统相连，在真空靶室10的下部设有与真空靶室10相连通的第二气管15，在第二气管15上依次设有第二压力表16和真空栗17，所述测控系统18分别通过电源线与第一压力表4、节流阀5相连;在所述真空靶室10上设有用于检测真空靶室10的压力表。
[0021]作为本实施例的优选，所述靶芯1-1采用高导无氧铜材料制作；充气管1-5采用不锈钢毛细管制作;所述探测窗口 1-3包括同轴设置的第一圆柱体31和第二圆柱体32，通过调节第二圆柱体32的厚度，从而实现容纳腔的厚度的调节，以满足不同厚度液氘的实验需求。
[0022]做为本实施例的进一步优选，为保证制冷效果，所述制冷机为GM制冷机，所述GM制冷机的二级冷头冷量为5.4ffil0Ko
[0023]本实施例用于液氘状态方程研究的冷冻打靶系统的操作方法，包括以下步骤: 第一步，液氘靶的装配:将入射窗口 1-4置于圆环形左侧壁1-8的外侧，在入射窗口 1-4
的外侧装上垫片1-2，然后用低温胶密封;第二步，将探测窗口 1-3的第一圆柱体31左侧置于圆环形右侧壁1-9 一侧，探测窗口 1-3的第一圆柱体31的右侧装上垫片1-2，然后用低温胶密封，第三步，将充气管1-5通过螺纹连接与连接孔1-7相连，然后用低温胶密封，所述入射窗口 1-4和探测窗口 1-3与垫片1-2之间均采用低温胶密封；
第二步，系统的安装、调试:
a、首先，通过调节机构11进行液氘靶位置的调节，通过前后左右即空间位置的调整，将液氘靶位置粗调到靶点位置，然后将液氘靶1置于靶架13的一端，将第一气管3与液氘靶1的充气管1-5相连，将第一压力表4、节流阀5、三通16和三通Π 7，分别依次安装在第一气管3上，将氘气源8连接在三通16上，将分子栗机组9连接在三通Π 7的一个端口，氦质谱检漏仪2连接在三通Π 7的另一个端口；在制冷机12的靶架13上设置温度传感器14，将温度传感器14与测控系统18相连，将第二压力表16和真空栗17依次设置在第二气管15上；
b、通过氦质谱检漏仪2对液氘靶1进行检漏:首先开启氦质谱检漏仪2，等待系统预热结束，依次打开与氦质谱检漏仪2相连第一气管3上的三通16和三通Π 7和节流阀5，开始按氦质谱检漏仪2上的测试键开始抽空检漏，在液氘靶边缘喷氦气观察漏率的变化并记录液氘靶的漏率，液氘靶的漏率低于10—1()Pa.m3/S，则判断液氘靶漏率小，可用于实验，液氘靶的漏率高于10—1()Pa.m3/s，则判断液氘靶漏率大，不可用于实验；
第三步，充气置换;依次打开与分子栗机组9相连的三通16、三通Π 7和节流阀5，开启分子栗机组9通过第一气管3对液氘靶1进行抽气，将压力抽至低于10—4Pa，关闭节流阀5，打开与氘气源8相连的三通16和节流阀5，然后打开氘气源8，通过第一气管3对液氘靶充入氘气，充至压力为1.5atm，保 压5min，然后关闭节流阀5，按照上述流程循环反复抽气、充气8次，最后再打开与氘气源8相连的三通16和节流阀5，通过第一气管3对液氘靶充入氘气，充入氘气的压力为1.5atm，最后关闭节流阀5和氖气源8;
第四步，对真空靶室抽真空并降温:开启真空栗17，将真空靶室10内的压力抽至10—2Pa，然后开启制冷机12，制冷80min，直至温度传感器的温度降为预冷温度25K，然后逐步控温至靶芯1-1的温度至20K，所述液氘靶中的氘气开始液化，所述氘气的降温和液化时间为2h，在氘气液化过程中通过真空靶室10的采用平行光管、可见光CCD摄像机和激光速度干涉仪观察氘气的液化过程，激光速度干涉仪用于检测探测窗口 1-3表面剩余反射率判断液氘靶是否符合实验要求，所述氘气液化过程中控温精度为±0.03K，然后再次通过调节机构将液氘靶调整到靶点位置。
[0024]本发明中测控系统18能显示第一压力表的压力、能控制流量阀中气体的流速、能监控靶室中的真空度，并控制制冷机的开启。
【主权项】
1.一种用于液氘状态方程研究的冷冻打靶系统，其特征在于，该系统包括液氘靶(1)、液氘靶监测系统、充气置换系统、真空低温制冷系统和测控系统(18); 所述液氘靶(1)包括靶芯(1-1 )、垫片(1-2)、探测窗口( 1-3)、入射窗口( 1-4)和充气管(1-5)，所述靶芯(1-1)上开设有圆孔(1-6)，所述圆孔(1-6)与靶芯(1-1)同轴设置，在靶芯(1-1)的侧壁上设有连接孔(1-7)，所述连接孔(1-7)和圆孔(1-6)相通，充气管(1-5)与连接孔(1-7)采用螺纹连接，在圆孔(1-6)内壁上设有圆环形左侧壁(1-8)和圆环形右侧壁α-9)，所述圆环形左侧壁 (1-8) 和圆环形右侧壁 (1-9) 均与圆孔内壁相垂直，所述入射窗口 (1-4)、探测窗口(1-3)、圆环形左侧壁(1-8)和圆环形右侧壁(1-9)之间形成容纳腔(1-10); 所述液氘靶监测系统包括氦质谱检漏仪(2)、平行光管、可见光CCD摄像机和激光速度干涉仪； 所述充气置换系统包括与液氘靶(1)中充气管(1-5)相连的第一气管(3)，所述第一气管(3)上依次设有第一压力表(4)、节流阀(5)、三通1(6)和三通Π (7)，所述三通1(6)与氘气源(8)相连，所述三通Π (7)的一端与分子栗机组(9)相连、三通Π (7)的另一端与液氘靶监测系统中氦质谱检漏仪(2)相连； 所述真空低温制冷系统包括真空靶室(10)，在真空靶室(10)内部下方设有调节机构(11 )、在调节机构上设有制冷机(12)，在制冷机(12)的靶架(13)的端部布设液氘靶，在靶架(13)上设有温度传感器(14)，所述温度传感器(14)与测控系统相连，在真空靶室(10)的下部设有与真空靶室(10)相连通的第二气管(15)，在第二气管(15)上依次设有用于检测真空靶室的第二压力表(16)和真空栗(17)，所述测控系统(18)分别通过电源线与第一压力表(4)、节流阀(5)相连，测控系统(18)用于显示压力表上的压力和控制节流阀的流速，所述测控系统(18)通过电源线与真空靶室中制冷机(12)相连。2.根据权利要求1所述的用于液氘状态方程研究的冷冻打靶系统，其特征在于，所述靶芯(1-1)采用高导无氧铜材料制作。3.根据权利要求1所述的用于液氘状态方程研究的冷冻打靶系统，其特征在于，所述探测窗口(1-3)包括同轴设置的第一圆柱体(31)和第二圆柱体(32)，所述第一圆柱体(31)的外径与圆孔(1-6)间隙配合，所述第二圆柱体(32)的外径小于容纳腔的直径。4.根据权利要求1-3任一所述的用于液氘状态方程研究的冷冻打靶系统，其特征在于，所述充气管(1-5)采用不锈钢毛细管制作。5.—种权利要求4所述的用于液氘状态方程研究的冷冻打靶系统的操作方法，其特征在于包括以下步骤: 第一步，液氘靶的装配:将入射窗口(1-4)置于圆环形左侧壁(1-8)的外侧，在入射窗口(1-4)的外侧装上垫片(1-2)，然后用低温胶密封;第二步，将探测窗口(1-3)的第一圆柱体(31)左侧置于圆环形右侧壁(1-9)一侧，探测窗口(1-3)的第一圆柱体(31)的右侧装上垫片(1-2)，然后用低温胶密封，第三步，将充气管(1-5)通过螺纹连接与连接孔(1-7)相连，然后用低温胶密封，所述入射窗口(1-4)和探测窗口(1-3)与垫片(1-2)之间均采用低温胶密封； 第二步，系统的安装、调试: a、首先，通过调节机构(11)进行液氘靶位置的调节，通过前后左右即空间位置的调整，将液氘靶位置粗调到靶点位置，然后将液氘靶(1)置于靶架(13)的一端，将第一气管(3)与液氘靶(1)的充气管(1-5)相连，将第一压力表(4)、节流阀(5)、三通1(6)和三通Π (7)，分别依次安装在第一气管(3)上，将氘气源(8)连接在三通1(6)上，将分子栗机组(9)连接在三通Π (7)的一个端口，氦质谱检漏仪(2)连接在三通Π (7)的另一个端口 ；在制冷机(12)的靶架(13)上设置温度传感器(14)，将温度传感器(14)与测控系统(18)相连，将第二压力表(16)和真空栗(17)依次设置在第二气管(15)上； b、通过氦质谱检漏仪(2)对液氘靶(1)进行检漏:首先开启氦质谱检漏仪(2)，等待系统预热结束，打开与氦质谱检漏仪(2)相连的第一气管(3)上的三通1(6)和三通Π (7)和节流阀(5)，开始按氦质谱检漏仪(2)上的测试键开始抽空检漏，在液氘靶边缘喷氦气观察漏率的变化并记录液氘靶的漏率，液氘靶的漏率低于10—1()Pa.m3/S，则判断液氘靶漏率小，可用于实验，液氘靶的漏率高于10—1()Pa.m3/s，则判断液氘靶漏率大，不可用于实验； 第三步，充气置换；依次打开与分子栗机组(9)相连的三通1(6)、三通Π (7)和节流阀(5)，开启分子栗机组(9)通过第一气管(3)对液氘靶(1)进行抽气，将压力抽至低于10—4Pa，关闭节流阀(5)，打开与氘气源(8)相连的三通1(6)和节流阀(5)，然后打开氘气源(8)，通过第一气管(3)对液氘靶充入氘气，充至压力为1.2-1.5atm，然后关闭节流阀(5)，保压5-lOmin，按照上述流程循环反复抽气、充气5-8次，最后再打开与氘气源(8)相连的三通1(6)和节流阀(5)，通过第一气管(3)对液氘靶充入氘气，充入氘气的压力为1.2-1.5atm，最后关闭节流阀(5)和氘气源(8); 第四步，对真空靶室抽真空并降温:开启真空栗(17)，将真空靶室(10)内的压力抽至10—2Pa，然后开启制冷机(12)，制冷70-80min，直至温度传感器的温度降为预冷温度25K，然后逐步控温至靶芯(1-1)的温度至20 K-22 K，所述液氘靶中的氘气开始液化，所述氘气的降温和液化时间为1.5-2h，在氘气液化过程中通过真空靶室(10)的采用平行光管、可见光(XD摄像机观察氘气的液化过程，激光速度干涉仪用于检测探测窗口(1-3)表面剩余反射率判断液氘靶是否符合实验要求，所述氘气液化过程中控温精度为±0.03K，然后再次通过调节机构将液氘靶调整到靶点位置。
【专利摘要】本发明涉及一种用于液氘状态方程研究的冷冻打靶系统，该系统包括液氘靶、液氘靶监测系统、充气置换系统、真空低温制冷系统和测控系统；液氘靶包括靶芯、垫片、探测窗口、入射窗口和充气管，液氘靶监测系统包括氦质谱检漏仪、平行光管、可见光CCD摄像机和激光速度干涉仪；氦质谱检漏仪用于液氘靶的漏率检测，平行光管和可见光CCD摄像机可观测降温过程中氘气在液氘靶中液化的过程，激光速度干涉仪用于液氘靶探测窗口表面剩余反射率的检测，判断靶是否符合实验要求；本发明通过置换气体让液氘靶获得高纯的氘气，采用GM制冷机制冷获得低温环境，让氘气在液氘靶中液化，通过测控系统让液氘温度可控且稳定。
【IPC分类】G21B3/00
【公开号】CN105489253
【申请号】CN201510858960
【发明人】叶君建, 谢志勇, 叶海峰, 黄秀光, 方智恒, 贾果, 舒桦, 董佳钦, 涂昱淳, 丁先康, 傅思祖
【申请人】中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月1日
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