经过前期对 DGT 靶可能涉及的问题的调查研究，对于原理上系统的运行特别是靶区的流动和载热特性，已经基本上有了一定的了解，这些结果初步表明以DGT 靶方案通过以颗粒材料的流动能够在靶区形成稳定的流动形态，并进行热量的移除和交换。对于 DGT 靶而言，进一步的主要方向集中在原理性验证的实验研究，通过实验台架的建立实现 DGT 靶系统的整体运行，在这一过程中发现运行中存在的具体问题，从而调整研究重点，并最终实现实用的大型实际装置。作为先期任务，主要目标是建立 DGT 靶颗粒流靶原理测试装置并以电子束流进行耦合实验。
针对这一目标，本人从回路运行和材料辐照效果两方面开展了前期的实验预备工作，通过这些装置和实验实现了预期的运行效果，进而在相关团队的配合下设计、搭建了完整的电子束流耦合实验装置进行热运行实验，这些系统按预期计划得到了较好的完成，从而支持项目进一步开展大型样机的相关工作。
1 先期预备实验
1.1 电子束静态辐照效果
在电子束流耦合实验中，电子相比质子束流穿透深度浅，结合设备实际性能，为使得束流热沉积密度接近实际情况，计划使用 1.5MeV 能量的 100μA 电子束流。这样的束流功率在 1mm 的单颗球体上沉积功率理论可达 0.4W，而其热容仅有 1x10-3J/℃的量级。在辐照过程中是否会产生剧烈的热应力过程是需要研究的内容之一。针对这一问题进行了静态电子束加热预实验。
为测试颗粒在承受束流辐照造成的热量沉积条件下的效应，对静态的固定的堆积进行了电子束照射实验。颗粒在电子束照射下，温度显著上升，在最大1.5MeV，250μA 的束流条件下进行了 10min 照射。以热电偶测量的颗粒堆积体的区域最高温升达到了 430℃。
实验装置示意图如下所示。
预计束流对准结构中心进行照射，由中心延径向在表层高度等距离布置了三个温度探头（图中 1 黑、2 红、3 蓝），另外在第二个探头的等半径处，布置了一个低于表层的探头（图中 4 紫）。将装置大致对准束流位置后，设置束流能量为1.5MeV（实际中有<1%的波动），通过调节灯丝电流从而调节加速器束流。
其中 2、4 号探头距离加热中心距离约为 1cm，四个探头的温度升高幅度约为 1-2C/s，其中 2、3 号探头温度升高幅度较大。冷却时各位置呈现基本相同的指数衰减，表明各位置冷却过程是基本相同的，在冷却过程中，温度逐渐趋同。
本次实验定性的表明，颗粒堆积体在束流作用下具有好的热扩散能力，在束斑直径 2cm，束流功率 400W 的情况下，在正常的气体环境下对静止的钨合金颗粒进行数分钟的加热，颗粒仅会产生一定表面性质的变化而不会产生其他材料或堆积体性质的变化，这一变化推测是由表面化学反应造成。因此在实际电子束热态实验装置中，颗粒的加热时间在 0.1s 以下的量级，这样的时间内应当不存在由于加热可能产生的颗粒性状改变问题。同时有可能存在束流发散与热量损失等情况，但总体来说，束流能够实现有效热沉积，靶颗粒也能够在这一条件下保持稳定状态，因此可以进一步进行热态实验。
1.2 回路运行和稳定特性
在进行装置的实际建设之前，还需要对方案中拟使用的设备以及系统回路整体运行状态做出一定的预估，在建立的简易运行装置中，采用了一台小型管链提升机，以 1mm 不锈钢球作为流动材料，使用 PVC 管件建成了一套运行回路。回路通过变频器调整工作状态，流量通过离线称重的方法进行测量。装置最长连续运行 24 小时。
在实验期间，流量状态有所波动但总体保持在平均值的 10%以内，束流耦合界面持续稳定。装置采用了三通注入管道将颗粒材料引导进入靶段的。一般在液态金属散裂靶系统当中，注入系统都有着特殊的设计，主要是由于对称的靶在流体的稳定性上和设计方面都具有更多的便利和优势。而液态系统的下游流动与上游的压强分布和流动状态有着密切的关系，需要在注入时保持较好的对称性。
但颗粒系统的流变、耗散特性，除了能够在一定程度上避免汇流位置产生影响流动的汇流压力，从而抑制驻点或者回流区域出现以外，颗粒体系中的长程作用可能较连续流体弱很多，即便通过较短的流动距离(<5D1)，也可以使得非对称注入的颗粒具类似环形注入的流动均匀特性。即使在如三通形式的不对称注入的情况下，在下游的管口位置，也可以比较容易的获得较为对称的流动形态。下图是采用 H=3cm，D1=1.3cm，D2=5cm，d=2cm 的实验状况下，逐渐将束流管道插入流动管道内的过程，可以观察到，流动形态随位置变化比较迅速的由不对称流动向对称流动转变。
正是由于颗粒流动的这一特性系统才可以在靶段采取三通注入这种结构比较简单的注入方式。在实际系统当中可以考虑利用这一特性，对部分结构进行简化。
在这一情况的基础上，在装置的模拟靶段束流耦合位置，安装发热功率 200 W 加热棒，热流密度约 80kW/m2。通过不同的出口形状限制系统流量，对运行流量和温度变化进行测量。对于 100-150g/s 的流动情况，传热面最高温度在 270-340℃的范围，而实验计算的换热系数达到 250-300W/m2K 的水平
加热实验表明，这一靶系统能够通过持续稳定的流动对发热体表面的热流进行热交换并有效移除，换热系数与换热器实验、文献参考值处于同一水平。同时还发现，对于失去动力情况，装置仍可通过上方储料缓冲空间所积存的物料对发热体保持持续有效地冷却。
在上述初步结果的支持下，认为可以开展原理测试装置建设并进行电子束流耦合的热实验。
2 DGT 靶颗粒流靶原理测试装置及电子束流耦合
回路的设计以重点测试系统性功能为主，减少回路其他辅助性部件，目的在于对装置进行原理性验证。装置的整体结构由一台提升输送机和功能段、换热、流量测量、连接管道等构成，如图 4.7 所示，由输送机将颗粒提升到最高位置后，颗粒在重力的作用下自上向下一次流经各个功能段，最终进入输送机的下方入口。
设计使得系统中各个功能段连通，系统中颗粒依靠重力自然流动，回路中的主要调节能力仅来自管链输送机的运行状态。前期的实验发现这一运行状态与系统运行状态并非是简单对应关系，并存在滞后性，这一现象是由于颗粒力学有着不同于流体力学的特性所产生的。因此未来装置中在较复杂结构中颗粒工质运行的暂态情况应予以考虑。
实验构建的钨颗粒靶循环回路装置如下图，具体实施在重金属散裂靶试验装置研制课题框架下进行。实际装置计划采用的厘米到毫米级钨合金靶材料，本装置使用同种材料的 1mm 颗粒，颗粒材料由材料研究室提供。
提升机械采用管链输送机。通过前期调研，在各种颗粒输送设备中，管链输送机能够实现对钨颗粒的提升，同时还具有空间布置便利，密封性好，能耗低的优点。可以根据具体的设计使用环境进行输送。在 CIADS 项目方案中也选择此种设备作为靶材输送机械备选方案之一。设备采用光滑铝球和铅颗粒对于装置的实际提升效果进行了测试。
试运行采用 1mm 铝圆球与 2mm 铅颗粒为工质，在工频运行状态下，系统内颗粒得到了顺利提升，注料出料延迟时间~3s，总积料体积小于 5l。该测试表明，本系统对圆球型颗粒有些较好的提升效率，对于实际工质的颗粒几何可正常运行。在带有变频器和换热器、靶段的测试中，装置同样可顺利运行，此时变频器输出频率 7hz，输出功率小于最大输出功率的 5%。铅颗粒运行采用 2mm 铅颗粒为工质，6h 的连续运行中，系统运行时变频器最低频率为 15-20hz，输出功率小于最大输出功率的 15%，整体装置在 6h 的运行中保持稳定，不需要人为干预。
为了满足本装置在牢固性和束流准直方面的要求，整个装置在多个设计了可调节的支撑固定装置。这些装置的调节轻便快速，单人即可操作。
靶段的基本结构组成为三通注入管道，同轴管道环形颗粒流道，束流作用区域直管道，锥形流量控制段。其基本结构如下图：
锥形流量控制段是这一系统设计的唯一流量控制形式，起到保持系统流量稳定的作用。对于颗粒系统而言，当回路中存在多个流量限制时，这些流量限制会可能会产生相互的影响，尤其是在启动过程等一些非稳定状况下。即使对于稳定状况而言，若在串联连接管道中先后的存在两个固定的流量限制，如果后一限制流量高于前一流量，那么经过前一限制的颗粒流将顺畅通过后一限制，而使得后一限制完全失去意义，出现疏相颗粒流动状态；反之，如果前一限制流量高于后一限制，那么在两个限制之间区域由于进入量始终多于排出量，将导致颗粒储存量不断增加，最终完全填满这一区域，使得前一流量限制被颗粒埋没，从而失效。如确实需要通过多个流量控制以调控颗粒系统内的分配，则必须引入反馈控制机制。
因此，装置仅在靶段出口位置设置固定流量控制，决定系统内的物料循环流量。出口位置上方的管道等区域，颗粒均处于密堆积流动状态并作为缓冲储料空间。提升机维持在大输送能力状态，足以将进入全部输送机的物料提升并注入回到第一环节。未来可以通增加反馈控制调节，使系统能够实施受控维持运行于确切的状态。
在形成耦合界面的位置，这一区段的功能相比于结构相似的液态无窗散裂靶是非常不同的，虽然同样都有环形管道和锥形收口结构，但是液态金属散裂靶的锥形收口实际上是环形内喷口，通过喷出液态重金属形成束流作用界面；而颗粒流靶实际上是在环形管道末端与竖直管道接续的位置依靠颗粒填充束流管道下方的空区而在轴对称结构内产生斜面构成凹形束流耦合界面，而锥形出口与界面形成无关，仅起到流量控制作用。这就意味着，出口流量控制段的主要目的在于流量控制，而其形状和形式居于次要地位，只要在设计中能够避免这一区域的堵塞、滞留、流量不稳定等其他不良状况，出口的流量控制可以采取更灵活的形式。
同轴管道中的束流内管道内径约为 φ25，以保证 1-2cm 束斑的束流能够顺畅通过该管道直接照射在流动的表面颗粒。对于环形颗粒注入段而言，通过前期的实验研究，从流动角度而言，这一结构下的颗粒流动是稳定可靠的，甚至当内外管道同轴性差的情况下也可以维持一个对称性比较好的流动界面，具备较好的容错能力，内管的相对管径越小，流动状态具有更好的趋势。但综合未来装置的特性，内管的相对管径越大，越有利于该装置具有更好靶工质温度均匀性与中子学性能。经过前期的实验摸索，最终我们在该装置中采用了内径 φ50 的管道作为颗粒流道。
相比于平底料仓出口，锥形出口结构的优势在于避免了在局部堆积静止物料，确保系统内物料的充分循环，同时有利于在靶段内部形成均匀的流动状态。在本装置中为使系统能够获得不同的循环流量，制作了 φ11、φ13、φ15、φ17 四个不同出口口径的锥形流量控制段，通过离线替换以实现不同的循环流量。出口的斜角度与颗粒的流动性有着密切的关系，在目前的装置中选用 45°，这一角度大约是物料库伦角的两倍，经过实际验证，这一设计足以保证物料良好的流动性。需要注意的是，根据模拟结果，此处的机械磨损程度在整体系统中较为严重，是今后进一步研究的方向。
最终，系统运行得到的束流耦合界面在其流动形貌与随时间稳定性上都能基本令人满意，如下图所示。
换热器采用板式换热器。尽管本套装置的热功率相对于正常装置较低，但仍需在系统中安装换热器测试完整系统中颗粒的运行特性。板式粉粒体换热器的基本原理已在前面章节中有所阐述。由于钨球-氦气组合具有更好的传热性质，因此其换热能力应强于一般设备，可通过更小的换热面积和紧凑的装置体积实现低装料量下的高效热交换，换热器结构如下图：
在流量测量方面，通过测量系统循环流量可以评估系统的运行状态，测算系统换热能力与效果，并将通过这些结果检验数值模拟程序与设计。在线连续颗粒系统的流量测量，通常只能采取通过标定方法相对测量的方法。相对测量又可分为两类，接触式和非接触式。采用接触方法测力的测量方式经过标定一般具有较高的精度，但由于需要引入用于测量的结构，测量设备的体积较大，同时，在恶劣条件下还存在寿命问题。
微波流量计是典型的非接触测量手段，利用低功率的高频微波，通过传感器与管道间的电磁场耦合产生测量场，物料经过时对物料发生反射，被传感器接受，接收道德电磁波反射频率与发射频率由于多普勒效应存在频差从而产生一低频信号，根据这一低频信号即可检测到运动介质的数量和速度。测量精度可达到流量的 1%-3%，当管道直径太大时可能出现盲区，另外特定材料和流动状态会由于对波的吸收、反射、遮挡作用产生的信号线性程度差从而影响测量精度。
本系统中非接触式 MF3000 型微波流量计用于测量系统循环流量。
系统流动稳定性前期的研究结果表明，靶段结构中颗粒系统的流动主要受到局部的影响和控制。实验中通过电磁流量计测定得到流量如下图。
对流量的测量表明，颗粒系统的流动能够维持稳定，对于失去动力等极端情况，系统仍然可以维持这一流量一定时间，直至靶上方管道和束流耦合作用区内的颗粒全部排空。验证了整体系统在失去动力等严重事故情况下。仍能维持靶对于束流沉积热量的热移除能力。
在本次装置冷运行调试完成后，使用同等束流对束流管道下方的颗粒界面进行照射。并记录了温度变化过程，同时，通过 DEM 数值模拟方法，对这一过程的温度升高进行了计算。在束流加载的初始阶段，能够明显的观察到温度升高，在 3 分钟后，温度逐步趋于平稳。通过记录升温过程，与模拟结果进行比较。实验结果中采用的 100μA 的束流，实际加热功率等效于 70μA 左右的流强的照射作用，部分束流在距离空间中发生扩散。在靶段内部的不同区域安装热电偶，对电子束在 DGT 靶中的热沉积效果进行测量，并与模拟的结果进行了对比。
此外，作为束流照射效果实验中除了继续改进以求达到在有限的范围内通过光学手段在确保辐射防护的情况下拍摄视频的努力外，电子束-钨颗粒靶本身就是标准 X 射线源的设备结构，与常见的 X 射线源相比，本装置由于加速电压比较高，因此可以产生出穿透性很强的硬 X 射线。因此存在采用此种方式获得颗粒流内部的诊断信息的可能。下图是实验空间中测到的 X 射线强度。
本章所涉及到的本人工作，阐述了 DGT 靶系统电子束耦合原理验证装置的设计及建造中主要的设计因素和实际建成的装置概况。从作为这一阶段最终目的的装置而言，这一首创的系统设计实现了较好的有效循环运行工作状态，并且能够有效的承受电子束流照射在材料中形成的热沉积效果，并进行循环移除，同时装置还具有一定的抗事故意外能力。装置效果能够与数值模拟实现较好的符合，并且易于大型化以根据项目要求实现最终的 ADS 系统使用的 DGT 靶装置。在本人这一工作的支持下，目前项目已经进入了大型原理验证样机的设计与建造阶段，按照预定计划稳步推进。
