本發(fā)明涉及核電材料腐蝕研究領(lǐng)域，尤其涉及一種原位拉曼觀察高壓釜。

背景技術(shù)：

核電材料長期處于高溫高壓水環(huán)境中，材料的腐蝕問題是影響到核電站安全運行的關(guān)鍵因素。目前有關(guān)高溫高壓水中核電材料的腐蝕的表征方法主要集中在非原位的表征手段上，例如通過掃描電子顯微鏡、腐蝕稱重等技術(shù)手段獲取腐蝕狀態(tài)。非原位表征方法存在諸多弊端：例如，樣品需要經(jīng)過降溫、移出高壓釜外、暴露于空氣等過程，表面氧化膜可能已經(jīng)發(fā)生了變化；不能同步反映氧化膜隨時間的演變過程等。采取原位研究方法是獲得腐蝕產(chǎn)物實時狀態(tài)的最佳途徑。

拉曼光譜基于入射激光與分子間的非彈性散射效應(yīng)，拉曼頻移依賴于分子的振動頻率，分子的振動頻率與分子的結(jié)構(gòu)、有效質(zhì)量、分子鍵強度有關(guān)。拉曼散射光譜能夠表征材料成分、晶體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)等，拉曼光譜方法基于分子振動原理，所以它適用于水溶液環(huán)境中材料腐蝕產(chǎn)物的研究。

將原位拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用于核電材料高溫高壓水腐蝕行為研究，首要問題是解決原位拉曼觀察高壓釜的問題。目前，國內(nèi)外還缺乏適用于進行長期高溫高壓水腐蝕實驗的原位拉曼觀察高壓釜。

美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的c.s.kumai設(shè)計制作了容積僅0.05升的原位高壓釜，其將視窗直接安裝在高壓釜釜體上，采用金線進行密封，可以進行短時間的腐蝕實驗(＜24小時)，獲得了原位拉曼光譜。但是，由于視窗處溫度過高，易發(fā)生破裂事故，導(dǎo)致該裝置不可以進行長期試驗研究，高壓釜中的水溫也不允許超過320℃，此外，單次試驗樣品僅1～4個，對開展研究工作形成很大的局限性。

韓國首爾大學(xué)j.h.kim，采用厚度4.5mm的單晶寶石作視窗，在窗口的水側(cè)表面附加一只厚0.25mm的cvd金剛石，采用718鎳基合金的密封圈，其表面含25μm厚的鍍金層，高壓釜體采用690合金，在溫度350℃、壓力18mpa的水環(huán)境條件下，獲得了原位拉曼光譜，試驗時間小于48小時。然而，該高壓釜依然無法滿足長時間腐蝕試驗條件(＞3天)的需求，試驗溫度也不能超過350℃，實驗過程中的安全性也不能得到保障。由此可見，原位拉曼觀察高壓釜一直是腐蝕原位研究的制約瓶頸之一。

因此，迫切需要設(shè)計制作一種適用于高溫高壓水環(huán)境的原位拉曼觀察高壓釜，期望能夠提供安全可靠、長期(＞3個月)的腐蝕研究，還期望其穩(wěn)定性好，可容納更多樣品(＞50個)，可在高溫高壓水試驗環(huán)境(360℃、18.6mpa甚至更高)下進行原位拉曼觀測，以滿足核電材料高溫高壓水腐蝕研究工作的需要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種安全可靠的原位拉曼觀察高壓釜。

本發(fā)明的目的還在于提供一種能夠進行長期、連續(xù)的原位拉曼測量的原位拉曼觀察高壓釜。

本發(fā)明的目的還在于提供一種能夠進行多樣品測量的原位拉曼觀察高壓釜。

為達到上述目的或目的之一，本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

根據(jù)本發(fā)明的實施例，提出了一種原位拉曼觀察高壓釜，包括：

高壓釜體，所述高壓釜體限定釜腔；

觀測孔道，所述觀測孔道的一端設(shè)置在高壓釜體的側(cè)壁上，并與高壓釜體的釜腔相通，用于導(dǎo)入和導(dǎo)出拉曼激光；

視窗，設(shè)置在所述觀測孔道的另一端上，并與所述觀測孔道密封地連接；

試樣架，設(shè)置在高壓釜體的釜腔內(nèi)；以及

透鏡，所述透鏡與觀測孔道同軸設(shè)置并位于高壓釜體的釜腔內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，還包括：

耐壓閥，設(shè)置在觀測孔道上，用于切斷或開放觀測孔道；

冷卻水套，設(shè)置在觀測孔道外周；以及

泄放閥，直接或間接地設(shè)置在觀測孔道上，用于對觀測孔道進行泄壓。

根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，所述原位拉曼觀察高壓釜上還設(shè)置有第一傳動機構(gòu)、第二傳動機構(gòu)和第三傳動機構(gòu)，

其中所述透鏡設(shè)置在第一傳動機構(gòu)上，能夠在第一傳動機構(gòu)的帶動下水平移動；所述試樣架設(shè)置在第二傳動機構(gòu)上，能夠在第二傳動機構(gòu)的帶動下上下移動；

所述第三傳動機構(gòu)通過齒輪組與所述試樣架連接，用于驅(qū)動所述試樣架繞水平軸線旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，所述視窗由單晶寶石鏡片制成，所述單晶寶石鏡片通過法蘭、螺栓和石墨齒形墊與觀測孔道實現(xiàn)密封。

根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，所述透鏡為熔融石英平凸透鏡。

根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，所述試樣架等距離地分成4-8層，每層設(shè)置有多個用于掛置試樣的支架。

根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，所述觀測孔道與高壓釜體一體鍛造成型。

根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，所述試樣架中部設(shè)置有旋轉(zhuǎn)盤，旋轉(zhuǎn)盤通過所述齒輪組與所述第三傳動機構(gòu)聯(lián)動，所述第三傳動機構(gòu)不與齒輪組相連的一端伸出高壓釜體外，通過在高壓釜體外進行操作來調(diào)節(jié)試樣架的旋轉(zhuǎn)角度。

根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，高壓釜體和觀測孔道由316不銹鋼制成，其中高壓釜體的高度為500-700mm、釜腔的內(nèi)徑為350-400mm，釜腔的容積為50-80l；觀測孔道的長度為400-450mm、內(nèi)徑為28-32mm、外徑為38-42mm。

根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，所述視窗的直徑為35-40mm、厚度為8-12mm。

根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，原位拉曼觀察高壓釜具有良好的抗腐蝕性，可以容納多樣品(接近100個)同時進行腐蝕試驗；觀測孔道可以與高壓釜體一起鍛造成型，無焊接縫，提高了安全性；視窗選用單晶寶石鏡片，具有良好的耐高溫水腐蝕和耐壓特性以及拉曼信號透過性能，采用冷卻水套將溫度降至100℃以內(nèi)，避免了單晶寶石視窗在高溫時發(fā)生破裂，提高了安全性；耐壓閥(球閥)可以關(guān)閉，對視窗起到了保護作用，能夠進行長期的高溫高壓水試驗。本發(fā)明的原位拉曼觀察高壓釜具有功能齊全、先進、操作簡便、安全性高等特點，此外，本發(fā)明的原位拉曼觀察高壓釜在高溫高壓水環(huán)境下材料腐蝕行為的研究中具有廣泛且重要的應(yīng)用價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一個實施例的原位拉曼觀察高壓釜的示意圖。

附圖標記說明如下：1-高壓釜體；2-觀測孔道；3-視窗；4-泄放閥；5-冷卻水套；6-耐壓閥；7-透鏡；8-第一傳動機構(gòu)；9-試樣架；10-第二傳動機構(gòu)；11-齒輪組；12-第三傳動機構(gòu)；s-釜腔。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖詳細描述本發(fā)明的示例性的實施例，其中相同或相似的標號表示相同或相似的元件。另外，在下面的詳細描述中，為便于解釋，闡述了許多具體的細節(jié)以提供對本披露實施例的全面理解。然而明顯地，一個或多個實施例在沒有這些具體細節(jié)的情況下也可以被實施。在其他情況下，公知的結(jié)構(gòu)和裝置以圖示的方式體現(xiàn)以簡化附圖。

圖1為本發(fā)明的一個實施例的原位拉曼觀察高壓釜的示意圖。如圖所示，原位拉曼觀察高壓釜包括：高壓釜體1、觀測孔道2、視窗3、泄放閥4、冷卻水套5、耐壓閥(球閥)6、透鏡(平凸透鏡)7及其傳動機構(gòu)(第一傳動機構(gòu))8、試樣架9及其傳動機構(gòu)(第二傳動機構(gòu))10、齒輪組11及其傳動機構(gòu)(第三傳動機構(gòu))12等。

其中，所述高壓釜體1帶有供原位拉曼觀察的金屬的觀測孔道2，觀測孔道2末端安裝視窗3，采用冷卻水套5將視窗3處的溫度降低，冷卻水套5和視窗3中間的泄放閥4起過壓保護的作用，冷卻水套5與泄放閥4被置于視窗3之前，在觀測孔道2的前端還設(shè)置耐壓閥6(設(shè)置在觀測孔道2的前部位置貼近高壓釜體1)。高壓釜體1內(nèi)限定釜腔s，將透鏡7置于高壓釜體1的釜腔s內(nèi)，與觀測孔道2同軸地設(shè)置并在高壓釜體1內(nèi)貼近腐蝕試樣，第一傳動機構(gòu)8與透鏡7相連并伸出高壓釜體1的釜蓋，通過第一傳動機構(gòu)8，透鏡7可水平移動，透鏡7正前方約30mm處的測試樣品被置于試樣架9上，試樣架9與高壓釜體1同軸設(shè)置并在高壓釜體1內(nèi)的中間位置處，第二傳動機構(gòu)10與試樣架9相連；所述試樣架9由第二傳動機構(gòu)10驅(qū)動，其位置可上下調(diào)節(jié)，試樣架9可以與齒輪組11聯(lián)動，可以經(jīng)第三傳動機構(gòu)12驅(qū)動所述試樣架繞水平軸線旋轉(zhuǎn)。其中，齒輪組11與高壓釜體1同軸地設(shè)置在高壓釜體1內(nèi)，與試樣架9聯(lián)動，第三傳動機構(gòu)12與齒輪組相連。

在一個具體的實施例中，高壓釜體1由316不銹鋼制成，具有良好的抗腐蝕性，高壓釜體1的高度為615mm、釜腔s的內(nèi)徑為370mm，釜腔s的容積為66l，可以容納多樣品(接近100個)同時開展腐蝕試驗。

在一個具體的實施例中，觀測孔道2由316不銹鋼制成，與高壓釜體1一起鍛造成型，無焊接縫，因而提高了安全性，其長度為425mm、內(nèi)徑為30mm、外徑為40mm，觀測孔道2用于作為拉曼激光導(dǎo)入導(dǎo)出的通道，其上提供有充分的空間供安裝耐壓閥6、視窗3、冷卻水套5等必備裝置。

視窗3選用單晶寶石鏡片，直徑為38mm、厚度為10mm，單晶寶石具有良好的耐高溫水腐蝕和耐壓特性以及拉曼信號透過性能，視窗3通過法蘭、螺栓連接在觀測孔道2上，視窗3封裝時采用石墨齒形墊，石墨齒形墊置于寶石鏡片表面，能夠緩解機械應(yīng)力且達到密封效果。在視窗3前部，與視窗3距離100mm處布置冷卻水套5，施以上下循環(huán)水構(gòu)成冷卻回路，采用冷卻水套5將溫度降至100℃以內(nèi)，避免了單晶寶石視窗在高溫時發(fā)生破裂，提高了安全性。

當(dāng)試樣需進行長期的高溫高壓水腐蝕實驗時，單晶寶石長期與高溫水接觸，表面性能可能退化，并有破裂的風(fēng)險，通過設(shè)置例如dn32球閥的耐壓閥6，可承受360℃、25mpa水環(huán)境，dn32球閥與高壓釜體1的側(cè)壁的距離可設(shè)置為80mm，可全開和全閉。在進行長期高溫高壓水實驗時，關(guān)閉dn32球閥，當(dāng)進行原位拉曼測量時，打開球閥至全開狀態(tài)，允許光束直徑約25mm的拉曼信號通過觀測孔道2，當(dāng)拉曼測量結(jié)束時，關(guān)閉球閥，由此能夠?qū)σ暣捌鸬奖Ｗo作用。

在本發(fā)明中，將例如平凸透鏡的透鏡7置于高壓釜體1內(nèi)，平凸透鏡由熔融石英材料制成，直徑為25.4mm，焦距為25.4mm，距離高壓釜體1的側(cè)壁可設(shè)置為60mm，入射激光經(jīng)過平凸透鏡(焦距25.4mm)被匯聚至樣品處，經(jīng)實驗樣品散射后，散射光經(jīng)平凸透鏡匯聚呈直徑25.4mm的光束，經(jīng)觀測孔道2導(dǎo)出高壓釜體1，此方法避免了因發(fā)射光散射角大而無法從高壓釜體1內(nèi)經(jīng)觀測孔道2導(dǎo)出的問題。通過與透鏡支架相連并伸出高壓釜體1外的第一傳動機構(gòu)8，實現(xiàn)了透鏡7沿水平位置的移動，可移動距離為±10mm，由此能夠解決光路調(diào)節(jié)及聚焦的問題。

在一個具體的實施例中，采用不銹鋼支架固定平凸透鏡的鏡片，鏡片支架安裝在第一傳動機構(gòu)8的底座上。

在一個具體的實施例中，試樣架9被分為6層，每層設(shè)置16個支架，可供96個樣品同時進行腐蝕試驗，每個支架長度70mm，試樣支架上下間距為50mm，試樣長25mm、寬20mm，每個試樣有足夠的空間，可進行不同合金成分、加工工藝的對比實驗。通過伸出高壓釜體1的第二傳動機構(gòu)10，可在高壓釜體1外進行操作，驅(qū)動試樣架9上下移動，從而能夠?qū)崿F(xiàn)各層樣品的拉曼光譜測量。在試樣架9上設(shè)置旋轉(zhuǎn)盤，旋轉(zhuǎn)盤的厚度為20mm，旋轉(zhuǎn)盤與齒輪組11相結(jié)合實現(xiàn)聯(lián)動，通過第三傳動機構(gòu)12可以驅(qū)動試樣架9進行繞水平軸線的旋轉(zhuǎn)，進而能夠?qū)崿F(xiàn)同層中不同方位樣品的旋轉(zhuǎn)定位及拉曼光譜測量。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，高壓釜體1配備有高壓釜體支架及可移動的釜蓋電動起吊裝置，方便高壓釜體的釜蓋的開啟和試樣片的安裝；釜體提供高溫高壓水環(huán)境。

由此可見，本發(fā)明的原位拉曼觀察高壓釜提供了一種原位、實時、精度高、對比度好、準確可靠的拉曼光譜測量，可進行多樣品、長期、連續(xù)的原位拉曼光譜測量，可在釜外直接控制試樣架上下移動、繞水平軸線旋轉(zhuǎn)、以及光路調(diào)節(jié)。本發(fā)明的原位拉曼觀察高壓釜具有功能齊全、先進、操作簡便、安全性高等特點，此外，本發(fā)明的原位拉曼觀察高壓釜在高溫高壓水環(huán)境下材料腐蝕行為的研究中具有廣泛且重要的應(yīng)用價值。

下面結(jié)合上述說明詳細描述本發(fā)明的優(yōu)點：原位拉曼觀察高壓釜的高壓釜體由316不銹鋼制成，具有良好的抗腐蝕性，高壓釜體的釜腔的容積為66l，可以容納多樣品(接近100個)同時開展腐蝕試驗；觀測孔道與高壓釜體一起鍛造成型，無焊接縫，提高了安全性，觀測孔道用于作為拉曼激光導(dǎo)入導(dǎo)出的通道，并提供有充分的空間供安裝球閥、視窗、溫度冷卻套等必備裝置；視窗選用單晶寶石鏡片，具有良好的耐高溫水腐蝕和耐壓特性以及拉曼信號透過性能，視窗封裝時采用石墨齒形墊，緩解了機械應(yīng)力；在視窗前部，采用冷卻水套將溫度降至100℃以內(nèi)，避免了單晶寶石視窗在高溫時發(fā)生破裂，提高了安全性；球閥可承受360℃、25mpa水環(huán)境，在進行長期高溫高壓水實驗時，關(guān)閉球閥，對視窗起到了保護作用。將平凸透鏡置于高壓釜體內(nèi)，入射激光經(jīng)平凸透鏡，被匯聚至樣品處，經(jīng)實驗樣品散射后，散射光經(jīng)平凸透鏡匯聚呈直徑25.4mm的光束，經(jīng)觀測孔道，導(dǎo)出高壓釜，此方法避免了因發(fā)射光散射角大而無法從高壓釜體內(nèi)經(jīng)觀測孔道導(dǎo)出的問題；通過第一傳動機構(gòu)實現(xiàn)透鏡水平移動，解決了光路調(diào)節(jié)及聚焦的問題；試樣架可供96個樣品同時進行腐蝕試驗，每個試樣均有足夠的空間，可進行不同合金成分、加工工藝的對比實驗；通過第二傳動機構(gòu)，可在釜腔外進行操作，驅(qū)動試樣架上下移動，實現(xiàn)了各層樣品的拉曼光譜測量；旋轉(zhuǎn)盤與齒輪組相結(jié)合實現(xiàn)聯(lián)動，通過第三傳動機構(gòu)，驅(qū)動試樣架進行繞水平軸線的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了同層中不同方位樣品的旋轉(zhuǎn)定位及拉曼光譜測量。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行變化。本發(fā)明的適用范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。