EAST-NBI用差分式低溫冷凝泵的設計
為了維持EAST-NBI內的真空環(huán)境以滿(mǎn)足中性束生成與傳輸過(guò)程對真空壓力分布的要求，設計了EAST-NBI用差分式低溫冷凝泵。本文概述了中性束注入加熱的原理以及EAST-NBI真空系統的組成，詳細闡述了EAST-NBI用差分式低溫冷凝泵的結構設計，抽速和冷凝面積的確定，液氦系統和液氮系統熱負荷的計算等關(guān)鍵問(wèn)題。該差分式低溫冷凝泵通過(guò)在EAST-NBI綜合測試臺上進(jìn)行大量實(shí)驗驗證，完全滿(mǎn)足EAST-NBI對真空系統的要求。
中性束注入加熱(neutral beam injection，簡(jiǎn)稱(chēng)NBI)主要是利用注入的高能中性粒子束在等離子體中的電離、熱化，最終把能量轉化成等離子體的內能，從而提高等離子體溫度。中性束傳輸過(guò)程所需真空環(huán)境由真空獲得設備來(lái)實(shí)現。低溫冷凝泵同其它真空獲得設備相比具有真空潔凈、極限真空度高、有非常大的抽速、適用于氣體負載大的場(chǎng)合、占地面積少、布置靈活、無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪音、壽命長(cháng)、結構簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。為了獲得滿(mǎn)足EAST-NBI所要求的大氣體負載下的潔凈真空環(huán)境，考慮到空間有限、電磁環(huán)境惡劣等情況，EAST-NBI選用低溫冷凝泵作為主要真空獲得設備。
EAST-NBI的真空系統由分子泵機組構成的輔助抽氣系統和由低溫冷凝泵構成的主抽氣系統所組成。EAST-NBI系統不同部位對真空度的要求不一樣，為了滿(mǎn)足其對束線(xiàn)內部壓力梯度分布的要求，EAST-NBI主抽氣系統采用差分抽氣結構，即用兩臺不同抽速的低溫冷凝泵分別布置于主真空室第一段和第三段。為實(shí)現差分抽氣，在真空室內部不同部位設置低溫冷凝泵的同時(shí)，分兩處設置氣體擋板以增大氣體流阻。為了提供中性化室所需的真空環(huán)境，布置于主真空室第一段的主低溫冷凝泵呈圓環(huán)形，以與束線(xiàn)圓形真空室同軸的方式布置在中性化室部位，在主低溫冷凝泵與偏轉磁體間設置專(zhuān)門(mén)的氣體擋板，擋板中間留有供束通過(guò)的孔。布置于主真空室第三段的低溫冷凝泵稱(chēng)為差分式低溫冷凝泵，主要功能是滿(mǎn)足束傳輸過(guò)程對真空室內部壓力梯度分布的要求，該泵布置于偏轉磁體面向聚變裝置一側，呈圓餅狀，中間留有供束通過(guò)的孔，在抽氣的同時(shí)亦能起到氣體擋板的作用。兩處氣體擋板將EAST-NBI主真空室的內部空間分為三部分。如圖1所示。
圖1 束生成與傳輸中的典型真空壓力分布要求
EAST-NBI工作氣體為氘氣，本文主要介紹布置于主真空室第三段的差分式低溫冷凝泵的結構設計和相關(guān)計算。
1、差分式低溫冷凝泵的結構設計
作為低溫真空系統主要部件的低溫冷凝屏，其基本結構決定于被抽氣體種類(lèi)和安裝使用條件，考慮到EAST-NBI低溫真空系統的主要氣體負載為氘氣，為達到有效抽氣的目的的同時(shí)有良好的運行經(jīng)濟性，低溫冷凝泵總體上設計為由低溫冷凝板和防輻射擋板(簡(jiǎn)稱(chēng)輻射擋板)組成。低溫冷凝板的主要功能是利用冷凝抽氣機理抽除來(lái)自真空系統各氣源的氣體；輻射擋板的主要功能是吸收來(lái)自高溫壁面的輻射熱并冷卻到達低溫冷凝板的氣體。
根據EAST-NBI對低溫冷凝泵主抽氣系統的要求，并考慮到主真空室內部空間條件，設計的差分式低溫冷凝泵有三層結構，呈圓餅狀，以與中性束傳輸方向垂直的方式布置在主真空室第三段。如圖2所示。該低溫冷凝泵的中間一層為低溫冷凝板，其上設置了依靠真空釬焊固定的低溫管道。為吸收高溫壁面的輻射熱，冷卻到達低溫冷凝板的氣體，在低溫冷凝板的兩側分別布置了由液氮冷卻的輻射擋板。
對多種形狀擋板的傳輸幾率和透射系數進(jìn)行綜合考慮后，該擋板選取夾角為120°、表面采用黑色油漆噴涂的人字形擋板。此外，按EAST-NBI的總體設計規劃，在該低溫冷凝泵的中心還須預留放置功率測量靶及束流通過(guò)的孔。
圖2 差分式低溫冷凝泵結構示意圖
EAST-NBI低溫冷凝泵的低溫冷凝板所需要的冷量依靠低溫中心的氦制冷機系統提供，輻射擋板所需要的冷量由低溫中心的液氮貯罐輸送的液氮提供。低溫冷凝泵正常工作所需要的冷量通過(guò)專(zhuān)門(mén)設計的冷量輸送管道輸送至低溫冷凝泵的相應接口，受熱汽化后的氦氣回到低溫中心的氦制冷機系統，氮氣則直接排放至大氣。
EAST-NBI低溫冷凝泵工作在強磁場(chǎng)和有粒子輻照的環(huán)境中，故在材料的選取上除了要考慮其低溫真空條件的性質(zhì)，還要具有一定的抗磁性。綜合考慮以上要求，人字形擋板選用6061-T6鋁合金。液氮管和人字形擋板采取焊接連接，同時(shí)考慮液氮管的彎曲等問(wèn)題，液氮管選用1060鋁。液氦低溫冷凝板應具有較高的傳熱系數，經(jīng)綜合考慮選用無(wú)氧銅制作�？紤]到材質(zhì)和焊接工藝等因素，為避免加工成型后的冷漏，液氦管道選用304不銹鋼制作。
2、差分式低溫冷凝泵的設計計算
2.1、低溫冷凝泵的性能參數設計
2.1.1、低溫冷凝泵的抽速確定
EAST-NBI用低溫冷凝泵抽速對NBI運行條件下的動(dòng)態(tài)真空環(huán)境產(chǎn)生直接影響，合理選擇低溫冷凝泵抽速將確保該低溫真空系統在滿(mǎn)足NBI對真空壓力分布要求的前提下有較好的經(jīng)濟性。低溫冷凝泵抽速的確定主要取決于氣體負載的大小和系統對動(dòng)態(tài)真空度的要求。EAST-NBI主真空室每段動(dòng)態(tài)真空壓力分別為：1×10-2，4×10-3，1×10-3 Pa。主真空室二段內的氣體負載主要來(lái)源自主真空室一段進(jìn)入的氣體量、偏轉磁體和離子吞食器進(jìn)出口束流限制器處因束功率的沉積而產(chǎn)生的氣體量、離開(kāi)主真空室二段進(jìn)入三段的氣體量；主真空室三段內的氣體負載主要來(lái)源于自主真空室二段進(jìn)入的氣體量、漂移管道進(jìn)出口束流限制器處因束功率的沉積而產(chǎn)生的氣體量、離開(kāi)主真空室三段經(jīng)漂移管道進(jìn)入EAST的氣體量。經(jīng)綜合考慮，布置于主真空室第三段的差分式低溫冷凝泵面向偏轉磁體一側需要具有的抽速至少為2.2×105L/s；面向漂移管道一側需要具有的抽速至少為2×105L/s。
根據EAST-NBI總體設計規劃，該差分式低溫冷凝泵對氘的總抽速確定為4.5×105L/s。
2.1.2、低溫冷凝面積的確定
泵的抽速等于在入口壓強p和溫度T下被抽氣體的體積流量。根據比抽速式(1)
計算可得S'=7.732×104L/s。其中W=0.26為，人字形擋板的傳輸幾率；A=0.97，為低溫冷凝泵的凝結系數；C=0.01，為低溫冷凝泵的再蒸發(fā)幾率；T=290K，為被抽氣體的溫度；M=4kg/kmol，為氣體摩爾質(zhì)量。由前所述，此差分式低溫冷凝泵對氘抽速為4.5×105L/s。經(jīng)計算，該低溫冷凝泵所需要的總有效抽氣面積為5.82m2，低溫冷凝面的單面有效抽氣面積為2.91m2。
2.2、低溫冷凝泵熱負荷的計算
2.2.1、液氦系統的熱負荷
液氦系統的熱負荷主要包括人字形擋板對低溫冷凝板的輻射熱，穿過(guò)人字形擋板透射到低溫冷凝面的熱負荷，氣體負載冷凝的熱負荷，液氦低溫冷凝板支撐件的導熱量，氣體的熱傳導。除此之外，液氦系統的熱負荷還包括經(jīng)溫度測量導線(xiàn)的漏熱，但由于在實(shí)際的安裝過(guò)程中采用增加長(cháng)度、安裝熱沉等處理措施，由其帶給低溫冷凝板的熱負荷可予以忽略。
(1)人字形擋板對低溫冷凝板的輻射熱
式中，eb=0.9，為100K人字形擋板的輻射系數；ek=0.2，為4.5K液氦低溫冷凝板的輻射系數；fb=[1+Akek(e-1 b-1)/Ab] -1；Ak=5.82m2，為液氦低溫冷凝板的有效輻射面積；Ab=5.82m2，為人字形擋板的有效輻射面積；R=5.67×10-8 W/(m2.K4)；Tb=100K，為人字形擋板的溫度；Tk=4.5K，為液氦低溫冷凝板的溫度。經(jīng)計算可得Q1=6.456W。
(2)穿過(guò)人字形擋板透射到低溫冷凝面的熱負荷
式中，tp=0.0007，為人字形擋板的透射系數；Tq=290K，為穿過(guò)人字形擋板的氣體溫度；其他參數同上。經(jīng)計算可得Q2=0.327W。
(3)氣體負載冷凝的熱負荷
氣體負載冷凝的熱負荷是與每秒入射Ak面上的分子數成比例的。由式(4)得
式中，S=4.5×105L/s為低溫冷凝泵的抽速；p=1×10-3 Pa為氣體壓強；$H(TbyTk)=3.183kJ/mol，為單位摩爾的熱焓；R=8.31425J/(mol.K)，為氣體普適常量；Tq=290K，為氣體負載的溫度。經(jīng)計算可得Q3=0.594W。
(4)液氦低溫冷凝板支撐件的導熱量
式中，Aj=30mm2，為支撐件的截面積；L=250mm，為支撐件的長(cháng)度；K為支撐件的導熱系數，K=3.787+0.024T；Th=100K，為支撐環(huán)的溫度；其它參數同上。經(jīng)計算可得Qc4=0.058W，Q4=10×2×Qc4=1.155W。
(5)氣體的熱傳導
經(jīng)過(guò)人字形擋板的未被低溫冷凝板冷凝的氣體對低溫冷凝板的熱傳導可用式(6)計算
2.2.2、液氮系統的熱負荷
液氮系統的熱負荷主要包括真空室器壁對人字形擋板的輻射熱，氣體的熱傳導，液氮低溫冷凝板支撐件的導熱量。除此之外，液氮系統的熱負荷也包括經(jīng)溫度測量導線(xiàn)的漏熱，但由于在實(shí)際的安裝過(guò)程中采用和液氦系統同樣的處理措施，故這部分的熱負荷可以忽略不計。
液氮系統熱負荷與液氦系統熱負荷的計算方法相同，可算得液氮系統的熱負荷為
QLN2=Q1+Q2+Q3=209.561W
2.2.3、液氦、液氮的消耗率
(1)液氦的消耗率
根據相關(guān)文獻，液氦的汽化潛熱r=20.8kJ/kg，Q=0.125g/cm3，則每小時(shí)消耗的液氦量為
VLHe=3.6Q/Qr=12.715L/h
(2)液氮的消耗率
根據相關(guān)文獻，液氮的汽化潛熱r=199kJ/kg，Q=0.808g/cm3，則每小時(shí)消耗的液氮量為
VLN2=3.6Q/Qr=4.692L/h
3、低溫冷凝泵的實(shí)驗驗證
EAST-NBI綜合測試臺是為了對用于EAST裝置的NBI進(jìn)行性能測試并進(jìn)行相關(guān)物理實(shí)驗而建的。該綜合測試臺與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月進(jìn)行了兩輪束引出實(shí)驗。為了更加形象的表達該差分式低溫冷凝泵的實(shí)驗驗證過(guò)程，從DL-7真空計上截取一幅2012年3月份實(shí)驗中主真空室三段壓力隨時(shí)間的變化圖，如圖3所示。橫坐標為實(shí)驗具體時(shí)間(每一間格為4min)，縱坐標為主真空室三段實(shí)際壓力值。圖3左上角部位的壓力值為主真空室三段實(shí)驗當前壓力，圖像的水平過(guò)程線(xiàn)為主真空室三段的壓力平衡線(xiàn)，主真空室三段壓力每一次從平衡壓力升高至峰值都是由于離子源進(jìn)行一次進(jìn)氣起弧放電產(chǎn)生的，壓力在具有很大抽速的低溫冷凝泵作用下用很短時(shí)間又從峰值恢復到平衡壓力。由圖可知，壓力由峰值恢復到平衡壓力的過(guò)程中，主真空室三段的動(dòng)態(tài)真空壓力一直保持在10-3Pa量級以下，保證中性束注入實(shí)驗的順利進(jìn)行，完全滿(mǎn)足EAST-NBI對動(dòng)態(tài)真空壓力的要求。
圖3 NBI實(shí)驗時(shí)主真空室壓力變化圖
4、結論
(1)本設計使用真空釬焊的焊接方式，可以防止無(wú)氧銅在焊接過(guò)程中氧化影響焊接效果，可以使焊料均勻分布在液氦低溫管道與低溫冷凝板之間，從而提高低溫冷凝面的抽氣性能；人字形擋板采用黑色油漆噴涂的方式可以提高吸收高溫壁面的輻射熱。
(2)經(jīng)計算，液氦系統的熱負荷為9.183W，液氦消耗量為12.715L/h；液氮系統的熱負荷為209.561W，液氮消耗量為4.692L/h。這為低溫中心進(jìn)行低溫系統設計及系統優(yōu)化提供參考。
(3)本文所設計的差分式低溫冷凝泵在EASTNBI綜合測試臺上進(jìn)行了大量的真空抽氣實(shí)驗，主真空室三段動(dòng)態(tài)真空壓力始終保持在10-3Pa量級以下，滿(mǎn)足EAST-NBI對動(dòng)態(tài)真空壓力的要求，這為EAST-NBI實(shí)驗研究提供必要的前提條件。
