高溫熔鹽電化學原位同步輻射研究裝置的制作方法

本發明涉及一種高溫原位同步輻射研究裝置，尤其涉及一種高溫熔鹽電化學原位同步輻射研究裝置。

背景技術：

為了實現核能的可持續發展，我國正在開發新一代核能系統，而新一代核能系統所產生的乏燃料比放射性更強、釋熱率更高、裂片元素含量增多，需要積極開發干法后處理技術。干法后處理，一般是指在非水介質中，將錒系元素(an)與其他裂片元素進行分離的過程。目前最有前途的干法后處理技術是基于熔鹽電解的熔鹽電精煉流程。在電精煉過程中，乏燃料元素在熔鹽中的化學種態非常重要，會直接影響其還原電位、與其它元素的分離效果、回收率等。但是由于an的放射性、高溫熔鹽的腐蝕性、高溫操作的復雜性等，對于這個問題的研究極具挑戰。

第三代同步輻射光源可提供高品質的x射線，為熔鹽中的研究提供很好的實驗手段，例如擴展的x射線精細結構吸收譜(extendedx-rayabsorptionfinestructure，簡稱：exafs)研究吸收熔鹽中原子周圍的近鄰結構，得到原子間距、配位數、原子均方位移等參量。也可以對不同種類原子分別進行測量，給出指定元素原子的近鄰結構，區分近鄰原子的種類。利用強x射線源還可研究含量很少的原子的近鄰結構狀況，而且無論對于有序物質或無序物質均可進行研究。其數據收集時間也較短。這樣，exafs就能用于解決其他方法難以或不能解決的高溫電化學過程中物質結構的問題。

中國發明專利公開說明書cn102590253a公開了一種高溫熔鹽同步輻射原位研究裝置，包括一熔鹽池，一加熱裝置，一真空爐，真空爐的爐壁開設有入射窗口、透射窗口和熒光窗口。該設計的優點在于能夠實現對熔鹽池均勻而準確的加熱，熒光窗口的設計使其具有熒光探測模式，能夠對待測元素重量百分比含量小于10％的試樣進行測試。但是該設計并不能應用于熔鹽電化學過程中原位exafs測量，因為其設置的樣品池與外界沒有聯系，只能獲得靜態的物質結構的信息；沒有涉及電極體系不能獲得電化學過程中的動態物質結構變化。

技術實現要素：

鑒于現有技術中的上述缺陷或不足，期望提供一種高溫熔鹽電化學原位同步輻射研究裝置，該裝置不僅能夠實現高溫下的電化學反應，而且能夠用熒光探測模式檢測電化學過程中物質的變化。

為了實現上述目的，本發明采取的技術方案是：

一種高溫熔鹽電化學原位同步輻射研究裝置，包括：

真空爐，其內為一腔體，所述真空爐包括爐體，所述爐體的頂部開設有開口，所述爐體的爐壁上開設有入射窗口、透射窗口和熒光窗口，其中所述入射窗口與透射窗口同軸共線設置，所述熒光窗口的軸線與所述入射窗口的軸線位于同一水平面；

熔鹽池，其設于所述真空爐的腔體內；

加熱裝置，其設于所述真空爐的腔體內，用于對所述熔鹽池進行加熱，所述加熱裝置上設有入射孔、透射孔和熒光孔，所述入射孔與所述入射窗口對應設置，所述透射孔與所述透射窗口對應設置，所述熒光孔與所述熒光窗口對應設置；

擋板，其設于所述真空爐的開口處，用于對所述熔鹽池引入電極，所述擋板上設有通孔；

三電極系統，用于對所述熔鹽池內的體系提供電化學反應，其包括三個電極，所述電極分別穿過擋板上對應的通孔，伸入所述熔鹽池內；三個所述電極通過導線連接電化學工作站。

本發明的裝置由于使用了三電極系統，可以應用于熔鹽電化學過程中原位exafs測量，能夠獲得熔鹽電化學過程中的動態物質結構變化。

優選地，還包括頂蓋，所述頂蓋設于所述擋板的頂部，用于對所述電極進行密封并引入導線，所述頂蓋設有導線接口和出氣口，所述導線接口用于輸出導線，所述出氣口能夠提供一個氣體通路，使真空爐內腔處于流動的惰性氣體保護中。

優選地，所述熔鹽池的材質為熱解石墨；和/或所述擋板的材質為氮化硼。

優選地，所述電極的材質為金屬或玻碳。

優選地，所述加熱裝置包括加熱基座、熱電偶和加熱電阻絲，所述加熱基座內設有熱電偶和加熱電阻絲；所述加熱基座沿其軸向方向開設有通孔，用以放置熔鹽池；所述加熱基座上設有入射孔、透射孔、熒光孔；所述加熱基座的底面設有熱絕緣底座，所述熱絕緣底座上設有凹槽，所述凹槽用于固定所述熔鹽池。

優選地，所述凹槽的材質為氮化硼。

優選地，所述加熱基座與所述真空爐的爐壁之間設有空隙。

優選地，所述入射孔、透射孔和熒光孔為直徑1-2.5cm的圓孔；所述熔鹽池為半圓柱體，其橫截面半圓直徑不小于1cm，熔鹽池厚度為0.5-2.5mm。

優選地，還包括：

惰性氣體供氣裝置，用于給樣品提供惰性氣氛保護，使樣品以及熔鹽池不受氧氣水分的影響，其通過設于真空爐上的進氣口與所述真空爐連接，所述惰性氣體包括高純氮氣、氬氣或者氦氣；

抽氣裝置，其通過設于真空爐上的抽氣口與所述真空爐連接；

溫控裝置，其與所述加熱裝置連接，所述溫控裝置用于控制真空爐內的溫度，采用閉環控制方式控制加熱裝置對熔鹽池進行加熱，將溫度控制在室溫至800℃的工作溫度內。

優選地，還包括：冷卻介質循環系統，所述爐體的爐壁內設有若干水冷循環腔，所述冷卻介質循環系統通過設于爐體上的至少一個冷卻介質進口和至少一個冷卻介質出口與各個水冷循環腔導通連接，形成冷卻介質回路，用于保證真空爐的外殼和、熒光窗口、入射窗口和透射窗口處于安全的工作溫度下。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

采用本發明的裝置進行測試時，試樣放置在熔鹽池池中，熔鹽池放置在真空爐中，并且通過加熱裝置對其進行加熱。熔鹽變成液體狀態后，通過擋板上的三電極系統對體系施加電化學信號。入射x光通過試樣后從透射孔、透射窗口穿出，熒光信號依次通過熒光孔、熒光窗口穿出，外接熒光探測器收集熒光信號以對其進行后續分析。該裝置不僅能夠實現高溫下的電化學反應，而且能夠用熒光探測模式檢測電化學過程中物質的變化。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本申請的其它特征、目的和優點將會變得更明顯：

圖1是本發明實施例提供的高溫熔鹽電化學原位同步輻射研究裝置的結構示意圖；

圖2是本發明所述的高溫熔鹽電化學原位同步輻射研究裝置在一種實施方式中真空爐及頂蓋的剖視圖；

圖3是本發明所述的高溫熔鹽電化學原位同步輻射研究裝置在一種實施方式中電極及熔鹽池立體結構示意圖；

圖4是本發明實施例提供的高溫熔鹽電化學原位同步輻射研究裝置在一種實施方式中各實驗裝置的連接結構示意圖。

圖中：

1-真空爐，2-底盤，3-擋板，4-電極，5-入射窗口，6-透射窗口，7-熒光窗口，8-冷卻介質進口，9-冷卻介質出口，10-冷卻介質循環腔，11-抽氣口，12-進氣口，13-溫控裝置接口，14-頂蓋，15-出氣口，16-導線，17-加熱基座，18-熔鹽池，19-熱絕緣底座，20-凹槽，21-惰性氣體供氣裝置，22-冷卻介質循環系統，23-抽氣裝置，24-溫控裝置，25-電化學工作站，26-爐體，27-三電極系統。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本申請作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋相關發明，而非對該發明的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與發明相關的部分。

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本申請。

請參考圖1至圖3，一種高溫熔鹽電化學原位同步輻射研究裝置，包括：

真空爐1，其內為一腔體，真空爐1包括爐體26，爐體26的頂部開設有開口，爐體26的爐壁上開設有入射窗口5、透射窗口6和熒光窗口7，其中入射窗口5與透射窗口6同軸共線設置，熒光窗口7的軸線與入射窗口5的軸線位于同一水平面；

熔鹽池18，其設于真空爐1的腔體內；

加熱裝置，其設于真空爐1的腔體內，用于對熔鹽池18進行加熱，所述加熱裝置上設有入射孔、透射孔和熒光孔，所述入射孔與所述入射窗口對應設置，所述透射孔與所述透射窗口對應設置，所述熒光孔與所述熒光窗口對應設置；

擋板3，其設于真空爐1的開口處，用于對熔鹽池18引入電極4，擋板3上設有通孔；擋板用于將加熱部分和導線隔開，起到保護導線的作用；

三電極系統27，用于對熔鹽池18內的體系提供電化學反應，其包括三個電極4，電極4分別穿過擋板3上對應的通孔，伸入熔鹽池18內，三個電極4通過導線連接電化學工作站25。

本發明的真空爐還包括底盤2，底盤2固定連接于真空爐的底座上，可采用焊接等固定連接方式。本發明的高溫熔鹽電化學原位同步輻射研究裝置優點在于能夠利用電化學反應控制熔鹽體系，同時利用熒光探測模式對體系進行測試。

本實施例在上述實施例的基礎上，還包括頂蓋14，其設于擋板3的頂部，用于對電極4進行密封并引入導線16，頂蓋14設有導線接口和出氣口15，頂蓋14上的導線接口用于輸出導線16，出氣口15能夠提供一個氣體通路，使真空爐1內腔處于流動的惰性氣體保護中。

本實施例在上述實施例的基礎上，熔鹽池18的材質為熱解石墨。

熱解石墨具有純度高、導熱率高、密閉性好、熱容較小、對x射線透過率高的優點。采用熱解石墨可以耐高溫，溫度至少在400℃以上，保證氯化物熔鹽的熔融，熱解石墨在具有很好的導熱性、耐腐蝕，耐高溫，滿足對x射線的吸收小，保證x射線很好的透過率的基礎上，還具有滲透率低的優點，從而能夠很好的保證熔鹽電化學反應可以正常進行。因此，本發明采用熱解石墨材料作為熔鹽池，同時在其頂部設計了三電極系統，以實現高溫條件下電化學反應過程中exafs的原位測量。

優選地，擋板3的材質為氮化硼。電極4的材質為金屬或者玻碳。

本實施例在上述實施例的基礎上，所述加熱裝置包括加熱基座17、熱電偶和加熱電阻絲，加熱基座17內設有熱電偶和加熱電阻絲；加熱基座17的下部設有熱電偶插孔，熱電偶插孔用于放置熱電偶，加熱基座17沿其軸向方向開設有通孔，用以放置熔鹽池18；加熱基座17上設有入射孔、透射孔、熒光孔；加熱基座17的底面設有熱絕緣底座19，熱絕緣底座19上設有凹槽20，凹槽20用于固定熔鹽池18。

優選地，凹槽20的材質為氮化硼。

氮化硼易于加工且耐高溫，可以適應不同形狀的熔鹽池。

本實施例在上述實施例的基礎上，加熱基座17與爐體26的爐壁之間設有空隙。

本發明的加熱基座除底部外，其余部分與真空爐無直接接觸，即加熱基座與爐體的爐壁之間設有空隙，如此設計是減小加熱基座和真空爐的爐壁之間的熱傳導，同時通入真空爐內的惰性氣體從加熱基座和爐壁之間通過，帶走一部分熱量，減小水冷循環系統的壓力。

本實施例在上述實施例的基礎上，所述入射孔、透射孔和熒光孔為直徑1-2.5cm的圓孔，入射孔、透射孔和熒光孔的直徑大小保證有足夠大的探測角，對于具體孔的形狀不做限定，也可以選用方形的孔。

本實施例在上述實施例的基礎上，所述熔鹽池為半圓柱體，其橫截面半圓直徑不小于1cm，熔鹽池厚度為0.5-2.5mm。

參見圖3，圖3為本發明的高溫熔鹽電化學原位同步輻射研究裝置在一種實施方式中電極及熔鹽池立體結構示意圖。如圖4所示，熔鹽池18為半圓柱體，其橫截面半圓直徑不小于1cm，熔鹽池厚度為0.5-2.5mm，優選為1mm，其材料為熱解石墨，采用此厚度在有利于樣品測量的同時還可以避免在高溫下不受損，高于此厚度對光吸收太多不利于樣品測量，低于此厚度承受不了高溫。熔鹽池18設于凹槽20內，凹槽起到固定熔鹽池的作用。電極4可通過擋板3上的通孔調整插入熔鹽池18中的深度，當達到所需要的深度時，可以通過夾子固定電極的位置。電極4通過導線16與電化學工作站相連接。

圖4顯示了本發明所述的高溫熔鹽電化學原位同步輻射研究裝置在本實施例中各實驗裝置的連接結構。如圖2和圖4所示，真空爐1分別與惰性氣體供氣裝置21、冷卻介質循環系統22、抽氣裝置23、溫控裝置24以及電化學工作站25連接；

惰性氣體供氣裝置21，用于給樣品提供惰性氣氛保護，使樣品以及熔鹽池不受氧氣水分的影響，惰性氣體供氣裝置21通過設于真空爐1上的進氣口12與真空爐1連接，所述惰性氣體包括高純氮氣、氬氣或者氦氣；

冷卻介質循環系統22，爐體26的爐壁內設有若干水冷循環腔10，還設有冷卻介質進口8和冷卻介質出口9，冷卻介質循環系統22通過設于爐體26上的至少一個冷卻介質進口8和至少一個冷卻介質出口9與各個水冷循環腔10導通連接，形成冷卻介質回路，從而保證真空爐1的外殼、熒光窗口7、入射窗口5和透射窗口6處于安全的工作溫度下，防止熒光窗口7、入射窗口5和透射窗口6上粘貼的膜損壞；本發明冷卻所選用的介質可以鹽水、水和油，優選為水；

抽氣裝置23，其通過設于真空爐1上的抽氣口11與真空爐1連接，用于將真空爐1的內腔抽至2000-4000pa，保證真空爐1內部處于一個低壓環境；

溫控裝置24，其通過溫控裝置接口13與所述加熱裝置連接，溫控裝置接口13設置在爐體26的爐壁上，所述溫控裝置用于控制真空爐1內的溫度，采用閉環控制方式控制加熱裝置對熔鹽池18進行加熱，將溫度控制在室溫至800℃的工作溫度內；

電化學工作站25，用于實現對熔鹽的電化學控制。

熔鹽加熱變成液體后，通過頂蓋14接出來的導線16對體系施加電化學信號。

參見圖2和圖3，在進行實驗時，需先進行裝樣，將鹽樣高溫熔化后冷卻研磨成粉末，裝入熔鹽池18中，全程在手套箱中操作。試樣轉入真空爐1后，關閉進氣口12與出氣口15，通過抽氣口11將腔體抽至低壓，然后打開進氣口12充入惰性氣體，再關掉進氣口12，抽氣，反復幾次即可實現對原有氣體的置換，然后關閉抽氣口11，打開進氣口12與出氣口15，使真空爐1及頂蓋14處于流動惰性氣體的保護中。然后將樣品加熱至所需的溫度，熔鹽變成液體狀態后，通過擋板3上的三電極系統4即可對體系施加電化學信號。入射x光經過入射窗口5、入射孔射入真空爐1的內腔，從透射孔、透射窗口6穿出，熒光信號依次通過熒光孔、熒光窗口7穿出，外接熒光探測器收集熒光信號以對其進行后續分析。

本發明的裝置的優點在于能夠利用電化學反應控制高溫熔鹽體系的組成，同時采用熒光探測模式對體系的x射線吸收譜進行測試，可以實現對高溫熔鹽體系電化學反應過程中各物種的原位監測，對于高溫熔鹽中電化學反應的機理研究以及物質結構的確定具有重要意義。

以上描述僅為本申請的較佳實施例以及對所運用技術原理的說明。本領域技術人員應當理解，本申請中所涉及的發明范圍，并不限于上述技術特征的特定組合而成的技術方案，同時也應涵蓋在不脫離所述發明構思的情況下，由上述技術特征或其等同特征進行任意組合而形成的其它技術方案。例如上述特征與本申請中公開的(但不限于)具有類似功能的技術特征進行互相替換而形成的技術方案。