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俄科学家提出新型冷却技术延长金刚石窗口使用寿命

2025-04-04 14:25     来源:中国核技术网     俄罗斯 俄罗斯
俄罗斯科学院西伯利亚分院S.S.库塔泰拉泽(IT)热物理研究所和“西伯利亚环光子源”集体使用中心(CCU“SKIF”)的员工近日提出了一种新型冷却技术,用于冷却SKIF核电站第二级前端金刚石窗口。这一新技术将显著增加这些元件的使用寿命,并有望长远提高辐射的亮度。

前端设备用于从储存环引出同步辐射(SR)光束到实验站。在此过程中,金刚石窗口被安装在从高真空区域提取SR到研究站的装置中,以确保SR光束能够通过而不会破坏储存环的密封性。由于金刚石窗口承受极端的热负荷,温度高达300摄氏度以上,因此必须实施冷却系统以防止高温破坏其结构。

一期空间站前端由俄罗斯科学院西伯利亚分院科学仪器制造设计技术研究所的员工制造

在第一级站中,菱形窗口使用传统的冷却系统,即通过焊接或钎焊将菱形窗口固定在含有冷却液(水)循环通道的铜元件(法兰)上。然而,随着时间的推移,焊缝会退化,且在高温影响下,金刚石晶体的结构会从单晶变为多晶,从而显著降低SR光束的质量。

针对第二级空间站的前端,科学家们正在考虑使用新型冷却系统的可能性。物理学和数学博士、SKIF集体使用中心的研究员、俄罗斯科学院西伯利亚分院热交换过程强化实验室的首席工程师Maxim Pukhovoy介绍称:“随着每一代同步辐射源的出现,热流变得越来越大,因此越来越需要对光学元件进行冷却。我们提出了一种新型冷却系统,其中金刚石窗口使用液态金属薄膜固定在法兰上,液态金属密封结构无需焊接或钎焊,同时提供可靠的热接触和足够的真空密封。”

科学家们创建了所提议的冷却技术的3D模型,并在此基础上进行了热和强度计算,确定了设计参数,以确保所需的冷却效果及其可靠性,同时不超过热变形的阈值。3D模型显示,该冷却系统能够有效地去除热量,使金刚石板的最高温度不超过542.6°C,并可承受约800MPa的压力。

第一阶段车站前端的金刚石窗户由 V.S. 地质矿物研究所的员工制造。俄罗斯科学院索博列夫西布

此外,除了考虑热负荷和强度负荷外,研究人员还关注了水循环微通道壁的温度,确保其不超过96°C,以防止水沸腾并避免引起光学系统相关振动。

目前,研究人员正继续努力提高同步辐射源中光学元件冷却系统的效率。他们正在对不同的冷却液进行计算和3D建模,这些冷却液的初始温度可以从-90°C到+7°C变化。从长远来看,这将有助于增加从金刚石窗口中去除的热能,并降低紧急情况的风险。



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