制作一台可控核聚变装置(fusor)
Arutoria 2020-10-3原创 极客实验

①真空腔体:

 球腔直径(法兰盘内接管径)356mm,壁厚3mm

主法兰为CF350刀口法兰

球面连接10个法兰窗口,包含9个CF63-130mm法兰短管和1个CF100-70mm法兰短管 20200927_155108_mh1601193142320.jpg

20200927_154544_mh1601192817253.jpg

②真空系统:

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前级泵主泵:爱德华E2M28双级油封旋片泵

前级泵副泵:莱宝D16C双级油封旋片泵

前级泵备用泵:爱德华RV12双级油封旋片泵

前级管路附件:放气阀,爱德华FL20K活性氧化铝油雾捕集器,止回阀,每个油泵独立配一套波纹管挡板真空阀

前级管路真空指示:MKS-901P皮拉尼真空规

前级泵排气过滤:爱德华EMF20,油水分离器


20200929_204316.jpg 20200929_204403.jpg 20200929_204419.jpg

20200929_205210.jpg 20200929_161322.jpg IMG_20200722_214840.jpg IMG_20200911_214153.jpg 20200922_225239.jpg

主泵:普发HiPace80

主泵控制器:普发TC110,普发DCU110

腔体真空指示:普发PKR251全量程复合真空规

真空计控制器:普发DCU110

主泵与前级真空隔离阀:普发AVC真空阀

分子泵接口转接:63CF转63ISO-K

真空规接腔体转接:CF63转CF35

IMG_20200720_215235.jpg IMG_20200724_213657.jpg 20200929_205423.jpg

③进气系统

气体源:2l氘气钢瓶,纯度5N,同位素丰度2N8,200l充装,配双级减压阀

高压管路:1/4VCR波纹管

接头:1/4VCR接头,使用世伟洛克银垫圈

隔离阀:世伟洛克SS-DL-VCR4隔膜阀

计量阀:世伟洛克SS-4BMRG-VCR针阀

高压气路接腔体转接:CF63转CF35,CF35转VCR1/4

20200929_205247.jpg 20200929_205312.jpg 20200928_201504.jpg

④约束与加速系统

高压电源:40kv,50ma,2kw

绝缘电极法兰:CF63,耐压100kv

电极小球:0.3mm厚钼片组成OL对称结构

真空端绝缘:刚玉管

mmexport1596099698486.jpg 20200927_135310.jpg 20200927_181052.jpg

⑤探测与观察系统

视窗:CF100法兰石英视窗

探测装置:即将完成

IMG_20200809_233708.jpg

初步组装:

20200929_211310_mh1601385855146.jpg 20200929_211205.jpg 20200929_211132.jpg

尚未完成,持续更新中……



来自:核与粒子束 / 极客实验
7
2020-10-03 20:59:50
1楼

钞能力 sticker

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2020-10-03 22:16:41
2楼

壕无人性 sticker

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3楼

D2多少钱

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4楼

既然都买了idefender,为啥不装碘化锂的或者正比管 sticker

[修改于 20 天前 - 2020-10-03 22:40:20]

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5楼

这下真硬核了

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6楼

xd,在卧室床边搞聚变?😬

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2020-10-03 22:48:43
7楼

令人发指的高端啊

很难相信仅仅是玩玩fusor

有什么课题么?

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Arutoria(作者)
8楼
引用虎哥发表于4楼的内容
既然都买了idefender,为啥不装碘化锂的或者正比管

那个idefender是做铟活化用的,中子探测器用的氦3管正在校准,还有一台测γ的电离室没到,所以文中才说了,探测系统“即将完成” sticker


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Arutoria(作者)
9楼
引用m24h发表于7楼的内容
令人发指的高端啊很难相信仅仅是玩玩fusor有什么课题么?

先做一下氘-氘,如果问题不大就开始尝试点氘-氦3了,探究一下氘-氦3产生的质子在核方面的应用,但是归根结底还是在玩玩fusor2333

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2020-10-04 00:11:39
10楼

当初看到fusor结构时有个想法,但是没钱做fusor,楼主试试计算一下中子的运动速度,如果能想办法在石英窗上装中子探测器进行脉冲同步更好(平板电容+微电流检流应该可以测到中子到达时间),在中子反射回中心时,用脉冲的方式进行点火,看看能不能利用中子的动能对反应物进行辅助约束,在产生同样中子量的情况下,降低能量输入。

[修改于 20 天前 - 2020-10-04 00:18:38]

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11楼

fusor没必要全上CF吧。。。KF和ISO用viton的o-ring的话,用到1E-8torr都可以,1E-7torr轻轻松松。


话说都上CF了。。。竟然不搞一些plate nuts吗?这么大的CF法兰没plate nut拧起来多麻烦。。。

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Arutoria(作者)
12楼
引用justinpiggy发表于11楼的内容
fusor没必要全上CF吧。。。KF和ISO用viton的o-ring的话,用到1E-8torr都可...

kf法兰耐受最高真空10∧-6pa的数据实际上仅适用于“泵-kf卡箍-真空规”这样的理想组合,实际操作的时候会出现各种问题以至于真空度完全达不到-6

我的前级真空管路用了15组kf卡箍连接,在确保全部拧紧的情况下,实际总管路极限真空并未达到单独测前级泵的极限真空

主腔体并未全部使用真空钎焊,不排除在腔体的各焊接处出现细微漏点,高真空和高压交接的针阀用的是bellow密封,同样有可能成为漏点。这样的腔体即使全部安装CF法兰,烘烤后也只能以非常缓慢的速度进入-6。如果把cf换成kf、ISO很有可能连-6都达不到

腔体复杂的时候,有必要给“法兰耐受最高真空”的数据留出余地

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Arutoria(作者)
13楼
引用justinpiggy发表于11楼的内容
fusor没必要全上CF吧。。。KF和ISO用viton的o-ring的话,用到1E-8torr都可...

下次替换盲板的时候会参考你的建议换成铆接螺母的 sticker ,我手已经拧残疾了……

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14楼
引用Arutoria发表于12楼的内容
kf法兰耐受最高真空10∧-6pa的数据实际上仅适用于“泵-kf卡箍-真空规”这样的理想组合,实际操...

不晓得你这结论如何得到的,建议实践出真知。。。


一个正确设计组装的高真空系统,不应该有漏气(至少氦检漏不能有明显高于本底的读数,这里注意区分“漏”和“氦扩散”)。真空系统的极限真空,主要是系统内出气速率和真空泵抽速平衡的结果。Viton O-ring在不bake的情况下,其出气速率也非常低,并且由于其表面积远远小于系统内壁面积,影响非常有限。更别提,Viton是可以烘烤的,最高能够忍受150摄氏度的烘烤,且预先烘烤后本身出气速率可以下降2个数量级。


按你说的泵直接抽规,用ISO法兰的泵我可以几个小时内抽到5E-9torr以下,可以抽到PKR251显示under range。


大的真空系统达到极限真空的秘诀并不是盲目增加抽速(aka堆钱),正确的方法是烘烤(当然严格遵守高真空清洁规定什么的我就不多说了,相信你能攒这么一套应该都懂)。你无法想象一个暴露到大气过的不锈钢内壁能吸附多少水分子,并且这些水分子在室温下脱附的速率有多慢,这些都有完善的实验数据支持。如果不烘烤,就算是用CF一样很难达到1E-8torr以下的真空。这就是为什么如果需要经常向真空系统里取放样品,会设计load lock这样的东西,并且如果一定需要vent系统,会用氩气或者氮气来vent,就是为了防止水蒸汽进去导致需要重新烘烤。


若是不信,当你第一次开了分子泵后,看看你能抽到多低真空,就算你抽几个小时,估计也就比1E-6torr略低的样子。但是如果你把整个腔体烘烤到100摄氏度左右保持一段时间,你会看到这个时候真空规显示真空变得非常差,这就是暂时强迫出气速率增加(初始主要是水蒸气),然后等过一两天降温回室温后,应该就可以得到1E-8torr以下的真空了,因为此时内壁吸附的水蒸气已经清除干净了。具体烘烤的注意事项,如果想要探讨可以之后讨论,对于有窗口的系统也有不少需要注意的。烘烤这个事情对于机械泵也是一样的,波纹管内部表面积非常大,室温下出气的衰减速率非常慢,烘烤会有很大帮助。当然一般来说机械泵那里的极限真空我们不关心(毕竟好的现代分子泵对于各种常见气体的压缩比都已经非常高了),所以基本也没有人会去特意烘烤前级泵的波纹管。


当然对于一个需要设计工作在1E-8torr以下的装置,还是建议老老实实用CF。我啰嗦了这么多就是想说明,用O-ring来密封,做到1E-8torr是没有问题的,没有“实际操作无法达到”这个问题。其实也没有法兰”耐受“真空这种说法,KF和ISO的极限真空是限于他们无法承受高温烘烤和相对偏高的出气率而确立的,在实践中是允许低温烘烤的,并且的确也都能达到较高真空。至于VCR阀门的bellow,我从来没遇到过有漏的,如果是新的阀门无需担心,你这种设计反而要小心的是两个阀门之间的区域形成virtual leak,一般来说会特别增加一个pump port。


另,机械泵选型比较错误,不清楚为什么需要28cfm这样巨大抽速的旋片泵,那个抽速只对刚开始抽真空有帮助(你这么小一个腔,也就是前30秒吧),这里用个10cfm以下的泵就绰绰有余了。对于达到高真空,当前级真空达到10torr以下后,HiPace 80的抽速会迅速增加并超过机械泵抽速。Fusor本身也不需要特别高的gas load,真的要靠28cfm的前级抽速,HiPace 80在那gas load下估计也会压力很大。

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2020-10-04 14:51:03
Arutoria(作者)
15楼
引用justinpiggy发表于14楼的内容
不晓得你这结论如何得到的,建议实践出真知。。。一个正确设计组装的高真空系统,不应该有漏气(至少氦检漏...

机械泵这样选择,是因为前级管道中有一个爱德华的FL20K在漏,我最早使用的爱德华RV12抽了十几分钟真空度迟迟不降,更换了大抽速的泵之后才得以解决。这里使用大抽速泵不是为了堆钱,也不是为了进入多高的真空,而是为了加快进入要求真空的时间

至于真空腔体的烘烤问题这个我自然知道也是会做的,我所说的抽到的极限压力都是在烘烤之后得出的结论

我这里拿kf举个例子,一台分子泵通过kf卡箍直接连接真空规,在冬天连续抽了24天,真空度才勉强达到了9.5*10∧-6pa,温度稍稍升高就又迅速回到了-5。我不知道你几个小时抽到-7是如何做到的,我觉得你的规该校准了

然后做了对比实验,腔体/管路越复杂,进入极限真空的时间就越长,最终达到的真空度就越低,我认为这是一个经验问题,也是实践得出的结论

在分子泵使用cf法兰的时候,对于一个cf,kf混合腔体,分子泵的抽速高于腔体所连接kf法兰的渗透率时,所达到的极限真空才能进入-8。但我的分子泵用的是ISO-k,如果其他接头再使用kf,即使是烘烤之后我觉得进-5都是一个很大的砍,所以我的窗口都选择了使用cf法兰,我觉得这种设计同样没有问题,如果我的分子泵是cf接口(当然早晚会换cf的)我当然不介意在一些小的窗口上使用kf法兰

还是感谢和你的交流,我也学到了很多


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16楼
引用Arutoria发表于15楼的内容
机械泵这样选择,是因为前级管道中有一个爱德华的FL20K在漏,我最早使用的爱德华RV12抽了十几分钟...

大抽速前级泵对于这么小的腔体基本不加快进入要求真空的时间,我前面已经解释了,如果你拿个秒表,差的时间应该在一分钟以下,有耐心等24天,这一两分钟应该不慌。。。


我的测试用的规是全新PKR251,cold cathode部分也无需校准,分子泵是一台全新ISO法兰的HiPace 300,使用nXDS 15i作为前级,直接ISO转了KF40接PKR251,抽了6个小时就低于1E-8torr了,再抽了一个晚上看到的就是读不出数了,关了分子泵,在速度降低过程中,可以看到先从under range变成大约5E-9torr,再慢慢升高,这个过程甚至连烘烤都没有烘烤。你的9.5E-6Pa 就是差不多7E-8 torr,如果是干净系统用双级旋片泵接分子泵稍加烘烤抽到1E-8torr应该是完全没有问题的。建议检查PKR251是否被污染,O-ring到底是不是Viton(Buna-N可差了),Viton是否有提前清洗和150度真空烘烤若干小时。冬天抽24天很可能并比不上整个系统升到100摄氏度烤个一两天。


管路复杂导致极限真空差,那就是流导小,属于在初始设计时就要考虑问题。你的设计里turbo直怼腔体,问题不大。这不是经验问题,完全可以手工计算,懒的话可以用免费软件molflow+进行monte carlo仿真,可以直接导入STL模型,仿真结果和实际符合程度很好(前提所有部件质量和洁净程度可知可控)。


KF法兰使用合格Viton O-ring对于大气渗透率已经非常低,唯一就是对氢气氦气渗透率稍高。问题是大气中氢气和氦气含量非常少,所以除非持续对着法兰喷氦气,否则不会影响真空(不过氦检漏仪是可以看到的,具体表现就是停止喷氦气以后漏率指示缓缓上升,可能可以持续好几分钟)。


注意这里单纯就是讨论O-ring密封能不能达到1E-8torr这样的高真空,你的全CF设计没有问题,虽然在我看来overkill了,但是完全不影响fusor实验。如果有兴趣检查到底什么是阻止你达到更好的真空,直接往腔上加个RGA就好了,SRS的RGA100/200/300、Pfeiffer的Prisma或者MKS的VQM都很好。


另,作为正常科学交流,建议在提供数据的时候总是带上正确的单位。我的习惯是都用torr,但是看似你的回复里单位有混用,很多数字没有单位,对于讨论真空这种常用单位比较多的情况,比较容易引起误解。


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Arutoria(作者)
17楼
引用justinpiggy发表于16楼的内容
大抽速前级泵对于这么小的腔体基本不加快进入要求真空的时间,我前面已经解释了,如果你拿个秒表,差的时间...

看来你是正确的,感谢指导 sticker


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2020-10-05 00:08:33
Arutoria(作者)
18楼
引用zengsifu发表于6楼的内容
xd,在卧室床边搞聚变?😬

这房子不住人……

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19楼

楼主对前级泵的选择,准确的匹配了国外科研院所淘汰油泵的趋势。。。让我不禁想做一个实验,贴上标签丢一批油泵到金属回收,看看漂洋过海途径香港与贵屿,会到哪位爱好者手上。。。


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取而代之的是清一色的涡旋泵,

和可爱的四级隔膜泵。。。


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Arutoria(作者)
20楼
引用RodTech发表于19楼的内容
楼主对前级泵的选择,准确的匹配了国外科研院所淘汰油泵的趋势。。。让我不禁想做一个实验,贴上标签丢一批...

拿公家钱吃饭的还不让我们自己掏钱的考虑考虑成本了?hhhh

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21楼
引用Arutoria发表于20楼的内容
拿公家钱吃饭的还不让我们自己掏钱的考虑考虑成本了?hhhh

这个跟是不是自己掏钱其实没什么关系,只跟买之前有没有仔细调研有关系。。。


按照闲鱼和淘宝物价,二手nxds要比买这么多个油泵划算的多。自己买分子泵用也不会买hipace 80,而是选择tmh071之类性能一模一样的老泵然后自己做驱动,我买的时候每个在闲鱼不超过300rmb,拆开擦干净换一下轴承,再自己做一个有霍尔驱动就行了。就算捡到了便宜的hipace 80,也绝对不会买官方DCU, 泵自带的驱动只需24v和短路跳线就可以工作。


所以嘛,这个根本不是花谁的钱的问题。。。



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2020-10-09 14:54:34
22楼
引用RodTech发表于21楼的内容
这个跟是不是自己掏钱其实没什么关系,只跟买之前有没有仔细调研有关系。。。按照闲鱼和淘宝物价,二手nx...


他这个又不搞半导体,就做个灯泡,哪里有用干泵的必要

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23楼

还不如直接做中子管了,就是观赏性不如fusor

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2020-10-10 05:18:56
24楼
引用超密度氢发表于22楼的内容
他这个又不搞半导体,就做个灯泡,哪里有用干泵的必要

看清楚我说的什么。。

我根本就没说楼主有干泵有必要好么,事实上用CF都多余。


我说的是楼主花了那么多钱不如花在干泵上,这一点都没有问题。

业余条件下分子泵可以随便选择,根本不需要hipace,体现不出任何优势,然而干泵和油泵的差异可以轻易体现出来。

深究来说,等离子应用对RGA在45以上的分压要求比较严格,fusor也是这样,如果有机分压大了,氢碎片很容易被电离,严重影响中子产额,

这只要有点常识就知道,并不是什么“又不搞半导体”就没有优势的。

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25楼
引用超密度氢发表于23楼的内容
还不如直接做中子管了,就是观赏性不如fusor

中子管难度跟fusor是不能比的。penning放电的管子常见的都超过100Kv了,还需要脉冲电源和脉冲不出气的电极,D-D产额比D-T产额又小两个量级,实际D-D做出来保温瓶那么大只能等效几百mCi的AmBe,除了在商业用途能省去辅助真空系统外并没有什么卵用。


中子管涉及到烘烤除气等工艺,在家很难完成,至于耐脉冲ablation不出气的电极更是需要vacuum fire,怎么在家弄?

不是一句还不如做xxx就能做出来的。Fusor明显是在家产中子的最好途径。



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26楼
引用RodTech发表于24楼的内容
看清楚我说的什么。。我根本就没说楼主有干泵有必要好么,事实上用CF都多余。我说的是楼主花了那么多钱不...

兄长别激动哈,主要是我们业余人员自费搞实验经费不足,hipace80 本人以前5000左右就能淘到了9成新的,NXDS那个本人也想买,可惜淘不到便宜的,都是2万左右,很多人折中一下就搞个油泵,就算是外国人搞我见他们也是用油泵居多

[修改于 14 天前 - 2020-10-10 08:41:19]

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Arutoria(作者)
27楼
引用超密度氢发表于26楼的内容
兄长别激动哈,主要是我们业余人员自费搞实验经费不足,hipace80 本人以前5000左右就能淘到了...

钱不够买个多级隔膜也能凑合用

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2020-10-15 18:52:50
28楼
引用RodTech发表于21楼的内容
这个跟是不是自己掏钱其实没什么关系,只跟买之前有没有仔细调研有关系。。。按照闲鱼和淘宝物价,二手nx...

说的对,我们有我们的玩法

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29楼

既然已经买了,就不要纠结好不好了,能用就行,今后一定要提高姿势水平,期待楼主进展。


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2020-10-21 15:09:11
30楼

不懂fusor,fusor为什么需要这么高的真空度,1e-5Torr的时候自由程应该已经超过装置尺寸了(考虑到高速离子散射截面实际上应该会还不止),从我自己的经验来看,就算1e-3甚至1e-2torr的压力,也足够能产生非常高能的离子了,这个状态下还能工作的等体源都不多了。

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31楼

而且反正也不是热核聚变装置,就算有一点氧或者氮的杂质气体,好像也没啥影响?还是说为了要精准测量截面所以不行?

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2020-10-22 22:02:37
32楼

大佬抽tatp

仰望,,,

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