一種用於中子散射實驗的溫度加載裝置的製作方法

2023-10-04 12:09:59 2

本發明屬於中子散（衍）射應用中的環境加載技術領域，具體涉及一種用於中子散射實驗的溫度加載裝置。

背景技術：

中子散（衍）射技術具有無損檢測和深穿透特性，可對材料的內部微觀結構、界面結構、內部缺陷等特性進行直接測量，而材料的很多特性會受到所處溫度環境的影響而發生變化，為了研究溫度對材料特性的影響，需要利用原位溫度加載裝置改變被測樣品的溫度環境，再使用中子散（衍）射譜儀測量材料受溫度影響的變化機制。由於中子測量實驗現場存在中子、伽瑪射線，為了降低照射劑量，實驗人員往往將多個樣品放置在樣品臺上，通過改變樣品臺位置切換測量樣品。而若開展多個樣品的原位溫度實驗，則需要實驗人員手動將多個測量樣品依次放置於溫度加載腔內，增加了實驗人員的勞動強度、射線照射風險，同時較長的人工操作時間也造成了中子束流的浪費。

目前，中子散（衍）射技術正處於起步階段，原位環境設備的設計也較少。中國專利文獻庫公開了名稱為《一種用於中子衍射技術的原位應力-溫度加載裝置》的中國專利（專利號：201310032334）和名稱為《一種用於中子衍射的原位溫度加載裝置》的中國專利（專利號：201520986073.2）都涉及用於中子衍射的原位溫度加載裝置，但是，此兩項專利中的原位溫度加載裝置對多個樣品進行溫度加載時，都需要實驗人員手動更換測量樣品，兩項專利都不具備自動換樣功能。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種用於中子散射實驗的溫度加載裝置。

本發明的用於中子散射實驗的溫度加載裝置，其特點是：所述的裝置包括加熱爐、平移樣品臺、氣動升降支架；所述的加熱爐包括爐體腔體、入射窗口板、出射窗口板、水冷管，所述的平移樣品臺包括伺服電缸、樣品臺面、樣品臺底座，所述的氣動升降支架包括升降氣缸、高位置限位開關、低位置限位開關、活動支架、升降底座；

所述的爐體腔體上開設中子入射孔、中子出射孔，底部開設樣品裝入孔；其連接關係是，入射窗口板、出射窗口板依次固定在爐體腔體的中子入射孔、中子出射孔的外部，水冷管安裝在爐體腔體的樣品裝入孔的外部周邊；樣品臺面固定安裝在伺服電缸上，伺服電缸安裝在樣品臺底座上，樣品臺底座安裝在地面上；活動支架與升降氣缸的活動端連接，高位置限位開關、低位置限位開關從上至下固定安裝在升降氣缸的行程高位置、低位置，升降氣缸安裝在升降底座上； 爐體腔體上部與活動支架固定連接，升降底座安裝在伺服電缸側面的地面上，爐體腔體位於樣品臺面的正上方。

所述的爐體腔體為一長方體，內部鋪設加熱絲，並填充保溫纖維材料。

所述的入射窗口板、出射窗口板採用純鋁或藍寶石製作，中子源為冷中子時入射窗口板、出射窗口板採用藍寶石材料製作，中子源為熱中子時入射窗口板、出射窗口板採用純鋁材料製作。

所述的水冷管選用銅或鋁或不鏽鋼材料中的一種，水冷管兩端加工有螺紋，通過快接接頭與循環水管連接，在進行300℃及以下的高溫實驗時，水冷管通過循環水管連接到普通水泵上，在進行300℃以上的高溫試驗時，水冷管通過循環水管連接到帶製冷功能的恆溫水泵上。

所述的樣品檯面上有N個樣品固定支架，相鄰樣品固定支架的間距L與爐體腔體的寬度W之間的關係滿足：L-0.5W≥20mm。

所述的伺服電缸在水平方向平移，平移方向與中子束流垂直，伺服電缸的行程範圍S=N×L。

所述的升降氣缸為單活塞杆氣缸，當壓縮氣體進入時，升降氣缸帶動活動支架上升至活動支架觸碰到高位置限位開關後停止；壓縮氣體供給中斷後，升降氣缸帶動活動支架下降至活動支架觸碰到低位置限位開關後停止，爐體腔體底部的水冷管位於樣品檯面上方的1mm處。

本發明的用於中子散射實驗的溫度加載裝置的工作過程為：

a.升降氣缸接通壓縮氣體，爐體腔體隨升降氣缸上升，進而活動支架觸碰到高位置限位開關，上升運動停止；

b.伺服電缸帶動樣品臺面進行水平移動，使固定在樣品臺面的其中一個樣品到達束流位置後，水平運動停止；

c.中斷升降氣缸的壓縮氣體，爐體腔體在隨升降氣缸下降，活動支架觸碰到低位置限位開關，下降運動停止，此時爐體腔體的底部恰好處於樣品檯面上方1mm位置；

d.加熱爐開始對被測樣品進行加熱，同時循環水迴路開始工作，加熱至設定溫度後便可進行樣品的中子測量。

對於多個樣品的中子散（衍）射高溫實驗，只需重複上述步驟a-d便可實現。

本發明的用於中子散射實驗的溫度加載裝置中的加熱爐開設樣品裝入孔，與氣動升降支架組件配合使用可完成樣品的加熱爐的自動裝載與卸載，針對多個樣品的加熱處理和中子測量實驗，在一個樣品的高溫實驗完成需要對另一個樣品進行加熱處理時，如果採用人工操作方式，為了避免操作人員燙傷，需要將加熱爐冷卻至室溫才能進行，而本發明中由氣動升降機構直接裝卸具有一定溫度的加熱爐，大大縮短了操作時間。在加熱爐組件和氣動升降支架組件配合使用的基礎上，再協調平移樣品臺組件的走位狀態，能夠實現在中子衍射實驗中對多個樣品進行原位溫度環境加載和樣品間的自動切換，可有效降低實驗人員的勞動強度、射線照射風險。

本發明的用於中子散射實驗的溫度加載裝置具有自動化程度高、結構簡單易於搭建、性能安全可靠的特點。本發明的用於中子散射實驗的溫度加載裝置配合中子散（衍）射譜儀使用，能夠對樣品在溫度使役環境下的微觀變形、相變過程進行在線檢測，並能夠實現多個樣品的自動切換測量功能。

附圖說明

圖1為本發明的用於中子散射實驗的溫度加載裝置的結構示意圖（主視圖）；

圖2為本發明的用於中子散射實驗的溫度加載裝置的結構示意圖（右視圖）；

圖3為本發明的用於中子散射實驗的溫度加載裝置中的爐體腔體的結構示意圖（主視圖）；

圖4為本發明的用於中子散射實驗的溫度加載裝置中的爐體腔體的結構示意圖（仰視圖）。

圖中，1.爐體腔體 2.入射窗口板 3.出射窗口板 4.水冷管 5.伺服電缸 6.樣品臺面 7. 升降氣缸 8.高位置限位開關 9.低位置限位開關 10.活動支架 11.升降底座 12.樣品臺底座。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例詳細說明本發明。

實施例1

如圖1-4所示，本發明的用於中子散射實驗的溫度加載裝置包括加熱爐、平移樣品臺、氣動升降支架；所述的加熱爐包括爐體腔體1、入射窗口板2、出射窗口板3、水冷管4，所述的平移樣品臺包括伺服電缸5、樣品臺面6、樣品臺底座12，所述的氣動升降支架包括升降氣缸7、高位置限位開關8、低位置限位開關9、活動支架10、升降底座11；所述的爐體腔體1上開設中子入射孔、中子出射孔，底部開設樣品裝入孔；其連接關係是，入射窗口板2、出射窗口板3依次固定在爐體腔體1的中子入射孔、中子出射孔的外部，水冷管4安裝在爐體腔體1的樣品裝入孔的外部周邊；樣品臺面6固定安裝在伺服電缸5上，伺服電缸5安裝在樣品臺底座12上，樣品臺底座12安裝在地面上；活動支架10與升降氣缸7的活動端連接，高位置限位開關8、低位置限位開關9從上至下固定安裝在升降氣缸7的行程高位置、低位置，升降氣缸7安裝在升降底座11上； 爐體腔體1上部與活動支架10固定連接，升降底座11安裝在伺服電缸5側面的地面上，爐體腔體1位於樣品臺面6的正上方。

所述的爐體腔體1為一長方體，寬為120mm，內部鋪設加熱絲，並填充保溫纖維材料。

所述的入射窗口板2、出射窗口板3採用2mm厚的純鋁製作。

所述的水冷管4選用鋁製材料，水冷管4兩端加工為螺紋狀，兩端安裝快接接頭，4通過循環水管連接到普通水泵上。

所述的樣品臺面6上有五個樣品固定支架，相鄰固定支架的間距80mm。

所述的伺服電缸5能夠進行水平方向平移，平移方向與中子束流垂直，伺服電缸5的行程範圍為400mm。

所述的升降氣缸7為單活塞杆氣缸，當壓縮氣體進入時，升降氣缸7帶動活動支架10上升，活動支架10觸碰到高位置限位開關8後停止運動，爐體腔體1上升到高位置，伺服電缸5帶動樣品臺面6及被測樣品進行自由平移運動；壓縮氣體供給中斷後，升降氣缸7帶動活動支架10下降至活動支架10觸碰到低位置限位開關9後停止，爐體腔體1下降至低位置，爐體腔體1底部的水冷管4位於樣品臺面6上方的1mm處，爐體腔體1對被測樣品進行加熱。

經過上述實施後，本發明可在熱中子衍射譜儀上開展中子衍射原位溫度環境下的中子測量實驗，加載最高溫度為300度，一次可進行五個樣品臺的自動測量。

實施例2

本實施例與實施例1的結構相同，不同之處是所述的入射窗口板2、出射窗口板3的材料選用藍寶石材質，所述的水冷管4採用銅質材料，兩端通過循環水管連接到帶製冷功能的恆溫水泵上，所述的樣品臺面6上面設置八個樣品固定支架，所述的伺服電缸5的行程範圍為720mm。

經上述實施後，本發明可在冷中子衍射譜儀上開展中子衍射原位溫度環境下的中子測量實驗，加載最高溫度為1000度，一次可進行八個樣品臺的自動測量。