EAST-NBI用差分式低温冷凝泵的设计

2013-07-05 崔伟 中国科学院等离子体物理研究所

　　为了维持EAST-NBI内的真空环境以满足中性束生成与传输过程对真空压力分布的要求，设计了EAST-NBI用差分式低温冷凝泵。本文概述了中性束注入加热的原理以及EAST-NBI真空系统的组成，详细阐述了EAST-NBI用差分式低温冷凝泵的结构设计，抽速和冷凝面积的确定，液氦系统和液氮系统热负荷的计算等关键问题。该差分式低温冷凝泵通过在EAST-NBI综合测试台上进行大量实验验证，完全满足EAST-NBI对真空系统的要求。

　　中性束注入加热(neutral beam injection，简称NBI)主要是利用注入的高能中性粒子束在等离子体中的电离、热化，最终把能量转化成等离子体的内能，从而提高等离子体温度。中性束传输过程所需真空环境由真空获得设备来实现。低温冷凝泵同其它真空获得设备相比具有真空洁净、极限真空度高、有非常大的抽速、适用于气体负载大的场合、占地面积少、布置灵活、无振动、无噪音、寿命长、结构简单等优点。为了获得满足EAST-NBI所要求的大气体负载下的洁净真空环境，考虑到空间有限、电磁环境恶劣等情况，EAST-NBI选用低温冷凝泵作为主要真空获得设备。

　　EAST-NBI的真空系统由分子泵机组构成的辅助抽气系统和由低温冷凝泵构成的主抽气系统所组成。EAST-NBI系统不同部位对真空度的要求不一样，为了满足其对束线内部压力梯度分布的要求，EAST-NBI主抽气系统采用差分抽气结构，即用两台不同抽速的低温冷凝泵分别布置于主真空室第一段和第三段。为实现差分抽气，在真空室内部不同部位设置低温冷凝泵的同时，分两处设置气体挡板以增大气体流阻。为了提供中性化室所需的真空环境，布置于主真空室第一段的主低温冷凝泵呈圆环形，以与束线圆形真空室同轴的方式布置在中性化室部位，在主低温冷凝泵与偏转磁体间设置专门的气体挡板，挡板中间留有供束通过的孔。布置于主真空室第三段的低温冷凝泵称为差分式低温冷凝泵，主要功能是满足束传输过程对真空室内部压力梯度分布的要求，该泵布置于偏转磁体面向聚变装置一侧，呈圆饼状，中间留有供束通过的孔，在抽气的同时亦能起到气体挡板的作用。两处气体挡板将EAST-NBI主真空室的内部空间分为三部分。如图1所示。

束生成与传输中的典型真空压力分布要求

图1 束生成与传输中的典型真空压力分布要求

　　EAST-NBI工作气体为氘气，本文主要介绍布置于主真空室第三段的差分式低温冷凝泵的结构设计和相关计算。

1、差分式低温冷凝泵的结构设计

　　作为低温真空系统主要部件的低温冷凝屏，其基本结构决定于被抽气体种类和安装使用条件，考虑到EAST-NBI低温真空系统的主要气体负载为氘气，为达到有效抽气的目的的同时有良好的运行经济性，低温冷凝泵总体上设计为由低温冷凝板和防辐射挡板(简称辐射挡板)组成。低温冷凝板的主要功能是利用冷凝抽气机理抽除来自真空系统各气源的气体；辐射挡板的主要功能是吸收来自高温壁面的辐射热并冷却到达低温冷凝板的气体。

　　根据EAST-NBI对低温冷凝泵主抽气系统的要求，并考虑到主真空室内部空间条件，设计的差分式低温冷凝泵有三层结构，呈圆饼状，以与中性束传输方向垂直的方式布置在主真空室第三段。如图2所示。该低温冷凝泵的中间一层为低温冷凝板，其上设置了依靠真空钎焊固定的低温管道。为吸收高温壁面的辐射热，冷却到达低温冷凝板的气体，在低温冷凝板的两侧分别布置了由液氮冷却的辐射挡板。

　　对多种形状挡板的传输几率和透射系数进行综合考虑后，该挡板选取夹角为120°、表面采用黑色油漆喷涂的人字形挡板。此外，按EAST-NBI的总体设计规划，在该低温冷凝泵的中心还须预留放置功率测量靶及束流通过的孔。

差分式低温冷凝泵结构示意图

图2 差分式低温冷凝泵结构示意图

　　EAST-NBI低温冷凝泵的低温冷凝板所需要的冷量依靠低温中心的氦制冷机系统提供，辐射挡板所需要的冷量由低温中心的液氮贮罐输送的液氮提供。低温冷凝泵正常工作所需要的冷量通过专门设计的冷量输送管道输送至低温冷凝泵的相应接口，受热汽化后的氦气回到低温中心的氦制冷机系统，氮气则直接排放至大气。

　　EAST-NBI低温冷凝泵工作在强磁场和有粒子辐照的环境中，故在材料的选取上除了要考虑其低温真空条件的性质，还要具有一定的抗磁性。综合考虑以上要求，人字形挡板选用6061-T6铝合金。液氮管和人字形挡板采取焊接连接，同时考虑液氮管的弯曲等问题，液氮管选用1060铝。液氦低温冷凝板应具有较高的传热系数，经综合考虑选用无氧铜制作。考虑到材质和焊接工艺等因素，为避免加工成型后的冷漏，液氦管道选用304不锈钢制作。

2、差分式低温冷凝泵的设计计算

2.1、低温冷凝泵的性能参数设计

2.1.1、低温冷凝泵的抽速确定

　　EAST-NBI用低温冷凝泵抽速对NBI运行条件下的动态真空环境产生直接影响，合理选择低温冷凝泵抽速将确保该低温真空系统在满足NBI对真空压力分布要求的前提下有较好的经济性。低温冷凝泵抽速的确定主要取决于气体负载的大小和系统对动态真空度的要求。EAST-NBI主真空室每段动态真空压力分别为：1×10-2，4×10-3，1×10-3 Pa。主真空室二段内的气体负载主要来源自主真空室一段进入的气体量、偏转磁体和离子吞食器进出口束流限制器处因束功率的沉积而产生的气体量、离开主真空室二段进入三段的气体量；主真空室三段内的气体负载主要来源于自主真空室二段进入的气体量、漂移管道进出口束流限制器处因束功率的沉积而产生的气体量、离开主真空室三段经漂移管道进入EAST的气体量。经综合考虑，布置于主真空室第三段的差分式低温冷凝泵面向偏转磁体一侧需要具有的抽速至少为2.2×105L/s；面向漂移管道一侧需要具有的抽速至少为2×105L/s。

　　根据EAST-NBI总体设计规划，该差分式低温冷凝泵对氘的总抽速确定为4.5×105L/s。

2.1.2、低温冷凝面积的确定

　　泵的抽速等于在入口压强p和温度T下被抽气体的体积流量。根据比抽速式(1)

　　计算可得S'=7.732×104L/s。其中W=0.26为，人字形挡板的传输几率；A=0.97，为低温冷凝泵的凝结系数；C=0.01，为低温冷凝泵的再蒸发几率；T=290K，为被抽气体的温度；M=4kg/kmol，为气体摩尔质量。由前所述，此差分式低温冷凝泵对氘抽速为4.5×105L/s。经计算，该低温冷凝泵所需要的总有效抽气面积为5.82m2，低温冷凝面的单面有效抽气面积为2.91m2。

2.2、低温冷凝泵热负荷的计算

2.2.1、液氦系统的热负荷

　　液氦系统的热负荷主要包括人字形挡板对低温冷凝板的辐射热，穿过人字形挡板透射到低温冷凝面的热负荷，气体负载冷凝的热负荷，液氦低温冷凝板支撑件的导热量，气体的热传导。除此之外，液氦系统的热负荷还包括经温度测量导线的漏热，但由于在实际的安装过程中采用增加长度、安装热沉等处理措施，由其带给低温冷凝板的热负荷可予以忽略。

　　(1)人字形挡板对低温冷凝板的辐射热

人字形挡板对低温冷凝板的辐射热

　　式中，eb=0.9，为100K人字形挡板的辐射系数；ek=0.2，为4.5K液氦低温冷凝板的辐射系数；fb=[1+Akek(e-1 b-1)/Ab] -1；Ak=5.82m2，为液氦低温冷凝板的有效辐射面积；Ab=5.82m2，为人字形挡板的有效辐射面积；R=5.67×10-8 W/(m2.K4)；Tb=100K，为人字形挡板的温度；Tk=4.5K，为液氦低温冷凝板的温度。经计算可得Q1=6.456W。

　　(2)穿过人字形挡板透射到低温冷凝面的热负荷

穿过人字形挡板透射到低温冷凝面的热负荷

　　式中，tp=0.0007，为人字形挡板的透射系数；Tq=290K，为穿过人字形挡板的气体温度；其他参数同上。经计算可得Q2=0.327W。

　　(3)气体负载冷凝的热负荷

气体负载冷凝的热负荷

　　气体负载冷凝的热负荷是与每秒入射Ak面上的分子数成比例的。由式(4)得

　　式中，S=4.5×105L/s为低温冷凝泵的抽速；p=1×10-3 Pa为气体压强；$H(TbyTk)=3.183kJ/mol，为单位摩尔的热焓；R=8.31425J/(mol.K)，为气体普适常量；Tq=290K，为气体负载的温度。经计算可得Q3=0.594W。

　　(4)液氦低温冷凝板支撑件的导热量

液氦低温冷凝板支撑件的导热量

　　式中，Aj=30mm2，为支撑件的截面积；L=250mm，为支撑件的长度；K为支撑件的导热系数，K=3.787+0.024T；Th=100K，为支撑环的温度；其它参数同上。经计算可得Qc4=0.058W，Q4=10×2×Qc4=1.155W。

　　(5)气体的热传导

　　经过人字形挡板的未被低温冷凝板冷凝的气体对低温冷凝板的热传导可用式(6)计算

气体的热传导

2.2.2、液氮系统的热负荷

　　液氮系统的热负荷主要包括真空室器壁对人字形挡板的辐射热，气体的热传导，液氮低温冷凝板支撑件的导热量。除此之外，液氮系统的热负荷也包括经温度测量导线的漏热，但由于在实际的安装过程中采用和液氦系统同样的处理措施，故这部分的热负荷可以忽略不计。

　　液氮系统热负荷与液氦系统热负荷的计算方法相同，可算得液氮系统的热负荷为

QLN2=Q1+Q2+Q3=209.561W

2.2.3、液氦、液氮的消耗率

　　(1)液氦的消耗率

　　根据相关文献，液氦的汽化潜热r=20.8kJ/kg，Q=0.125g/cm3，则每小时消耗的液氦量为

VLHe=3.6Q/Qr=12.715L/h

　　(2)液氮的消耗率

　　根据相关文献，液氮的汽化潜热r=199kJ/kg，Q=0.808g/cm3，则每小时消耗的液氮量为

VLN2=3.6Q/Qr=4.692L/h

3、低温冷凝泵的实验验证

　　EAST-NBI综合测试台是为了对用于EAST装置的NBI进行性能测试并进行相关物理实验而建的。该综合测试台与EAST-NBI以1：1尺寸建造，目前已建造完成，并于2011年12月和2012年3月进行了两轮束引出实验。为了更加形象的表达该差分式低温冷凝泵的实验验证过程，从DL-7真空计上截取一幅2012年3月份实验中主真空室三段压力随时间的变化图，如图3所示。横坐标为实验具体时间(每一间格为4min)，纵坐标为主真空室三段实际压力值。图3左上角部位的压力值为主真空室三段实验当前压力，图像的水平过程线为主真空室三段的压力平衡线，主真空室三段压力每一次从平衡压力升高至峰值都是由于离子源进行一次进气起弧放电产生的，压力在具有很大抽速的低温冷凝泵作用下用很短时间又从峰值恢复到平衡压力。由图可知，压力由峰值恢复到平衡压力的过程中，主真空室三段的动态真空压力一直保持在10-3Pa量级以下，保证中性束注入实验的顺利进行，完全满足EAST-NBI对动态真空压力的要求。

NBI实验时主真空室压力变化图

图3 NBI实验时主真空室压力变化图

4、结论

　　(1)本设计使用真空钎焊的焊接方式，可以防止无氧铜在焊接过程中氧化影响焊接效果，可以使焊料均匀分布在液氦低温管道与低温冷凝板之间，从而提高低温冷凝面的抽气性能；人字形挡板采用黑色油漆喷涂的方式可以提高吸收高温壁面的辐射热。

　　(2)经计算，液氦系统的热负荷为9.183W，液氦消耗量为12.715L/h；液氮系统的热负荷为209.561W，液氮消耗量为4.692L/h。这为低温中心进行低温系统设计及系统优化提供参考。

　　(3)本文所设计的差分式低温冷凝泵在EASTNBI综合测试台上进行了大量的真空抽气实验，主真空室三段动态真空压力始终保持在10-3Pa量级以下，满足EAST-NBI对动态真空压力的要求，这为EAST-NBI实验研究提供必要的前提条件。