NBI綜合測試臺低溫真空系統設計
低溫真空系統是NBI 綜合測試臺(NBITF)的一個(gè)重要子系統，它為與束的生成和傳輸過(guò)程相關(guān)的各類(lèi)實(shí)驗提供真空環(huán)境支持。在介紹NBITF 基本組成的基礎上，重點(diǎn)闡述了其低溫真空系統的冷凝屏結構與布局設計、氣源特性和熱負荷特性，并最終討論確定了低溫真空系統的冷量供給形式。實(shí)驗結果表明，該低溫真空系統的設計能滿(mǎn)足NBITF 的設計使用要求，并驗證了EAST-NBI 低溫真空系統設計的正確性。
中性束注入器(Neutral Beam Injector， 簡(jiǎn)稱(chēng)NBI)是一套用于產(chǎn)生高能帶電粒子束并對其進(jìn)行中性化以形成高能中性粒子束、最終將高能中性粒子束注入到磁約束聚變裝置內用以加熱等離子體、驅動(dòng)等離子體電流的裝置。中性束注入器由離子源、中性化室、偏轉磁體、漂移管道、電源系統、測控系統、低溫真空系統等功能單元組成。為了在國家大科學(xué)工程項目EAST 超導托卡馬克核聚變實(shí)驗裝置上開(kāi)展高水平實(shí)驗研究，等離子體物理研究所申請為EAST研制設計參數為40~70 A、50~80 keV、10~100 s 的NBI (簡(jiǎn)稱(chēng)EAST-NBI) 并首獲國家發(fā)展與改革委員會(huì )的支持。EAST-NBI 屬基于正離子源的長(cháng)脈沖、高功率NBI，在研制過(guò)程中有許多關(guān)鍵性物理與工程技術(shù)問(wèn)題需要研究解決。在EAST-NBI 建成之后，針對其運行中出現的問(wèn)題和現象亦需進(jìn)行專(zhuān)項研究以解決問(wèn)題并加深對現象背后的物理機制的理解。在NBI 研制之初首先建立測試臺開(kāi)展針對性的物理與工程研究屬?lài)H上的通行做法。同時(shí)，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)考慮到開(kāi)展NBI 相關(guān)實(shí)驗須考慮高電壓、高真空、輻射條件下的人員保護問(wèn)題，在EAST 兩輪實(shí)驗之間的檢修維護期不具備利用EAST-NBI裝置開(kāi)展專(zhuān)項研究的條件， 為圓滿(mǎn)完成EAST-NBI 研制任務(wù)并為后續的NBI 相關(guān)研究提供硬件條件，于2010 年即開(kāi)始了NBI 綜合測試臺(NBI test facility，簡(jiǎn)稱(chēng)NBITF)的研制。低溫真空系統是NBITF 的一個(gè)重要子系統，它為與束的生成和傳輸過(guò)程相關(guān)的各類(lèi)實(shí)驗提供真空環(huán)境支持。
1、NBITF 的基本組成
NBITF 的組成結構示意圖如圖1 所示。在總體上可認為NBITF 各主要部件均按照EAST-NBI對應部件原型樣機的標準制造，以驗證設計的正確性并尋求改進(jìn)優(yōu)化的具體措施。為了充分發(fā)揮科研資金的價(jià)值、擴展NBITF 的功能，計劃將來(lái)在主真空室后設計安裝專(zhuān)門(mén)的樣品測試室，以便為根據需要選擇利用離子束或中性束在樣品測試室內開(kāi)展高能粒子輻照損傷研究、高熱流條件下的換熱優(yōu)化實(shí)驗研究、聚變裝置第一壁相關(guān)的熱力學(xué)測試研究、材料改性研究等提供硬件上的支持，NBITF 采用一臺離子源，可提供離子束4 MW、中性束2 MW、束斑120 mm×480 mm 的平行束用于科學(xué)研究，其能力與國外同類(lèi)科研裝置相比無(wú)疑有非常大的優(yōu)勢。
圖1 NBI 綜合測試臺組成結構示意圖
2、NBITF 的低溫真空系統
NBITF 的低溫真空系統由低溫泵組和為低溫泵組提供冷量的低溫系統兩部分組成，其功能主要包括：(1)維持NBITF 內的真空環(huán)境以滿(mǎn)足各種測試實(shí)驗對真空環(huán)境的要求；(2)驗證即將建立的EAST-NBI 低溫真空系統的工程可行性。NBITF低溫真空系統設計的關(guān)鍵在于闡明低溫冷凝屏結構及其布局的基礎上，確定其熱負荷特性并最終確定其冷量需求以完成低溫系統的選型設計，最終結合束引出實(shí)驗驗證總體設計的合理性。
2.1、低溫冷凝屏結構及其布局
為了實(shí)現NBITF 低溫真空系統的既定功能，低溫泵組及其在主真空室內的布局采用與EAST-NBI 完全相同的結構設計，低溫泵組以低溫冷凝抽氣屏的形式設計安裝在主真空室內，稱(chēng)為前低溫冷凝屏和后低溫冷凝屏。
為了安裝維護方便，將主真空室設計為通過(guò)法蘭連接的三段式結構，前低溫冷凝屏設計為雙面抽氣的餅形結構并通過(guò)懸掛的方式安裝在主真空室第三段內，確保其在發(fā)揮抽氣功能的同時(shí)亦能起到氣體擋板的作用。為了向后端輸送束流以及安裝功率測量靶以便對束功率進(jìn)行截止測量，其中間部位設計預留了專(zhuān)門(mén)的束流通道和功率測量靶安裝空間。根據前低溫冷凝屏的設計，最終確定的前低溫冷凝屏及其在主真空室內的安裝形式如圖2 所示。
前低溫冷凝屏單側抽氣面積為3 m2，抽氣面工作過(guò)程中吸收的熱量依靠冷凝板上焊接的冷卻管內的液氦的汽化潛熱提供，冷凝板兩側設置了120°人字形防輻射擋板，其吸收的熱負荷通過(guò)其上焊接的冷卻管內的液氮的汽化潛熱提供。后低溫冷凝屏采用30 組基于相同原理結構的基本單元焊接裝配而成，整體成圓環(huán)形，以同軸的方式懸掛安裝于圓形主真空室第一段內。在圓環(huán)形后低溫冷凝屏的內部空間中設計安裝了中性化室、離子吞食器和氣體擋板。氣體擋板將后低溫冷凝屏在軸向按3∶1 的比例分為兩個(gè)相對獨立的抽氣單元，氣體擋板上束通道處留有供束通過(guò)的孔。后低溫冷凝屏及其在主真空內的安裝形式如圖3 所示，其冷量供給形式與前低溫冷凝屏完全相同。
圖2 安裝在主真空室內的前低溫冷凝屏
圖3 安裝在主真空室內的后低溫冷凝屏
2.2、低溫真空系統的氣源特性
氣源特性是確定低溫冷凝屏熱負荷提供依據之一。對于NBITF 低溫真空系統，其真空抽氣部分采用與EAST-NBI 完全相同的設計，目的在于檢驗和預估EAST-NBI 低溫真空系統設計的正確性。但兩者在氣源特性上存在差異：(1)被抽氣體種類(lèi)不同，NBITF 安裝在NBI 實(shí)驗室內，考慮到束引出時(shí)的人員安全問(wèn)題，工作氣體確定為H2，而非EAST-NBI 常規實(shí)驗時(shí)所采用的D2；(2)NBITF 僅設計安裝一臺離子源和相應的束傳輸部件，這將導致其氣源分布與大小僅與這單臺離子源的束生成和傳輸過(guò)程相關(guān)。
NBITF 低溫真空系統的氣源分布示意圖如圖4所示，系統的氣體負載主要來(lái)自?xún)煞矫妫河芍行曰页隹谶M(jìn)入主真空室的氣體和束流粒子與各束流限制器、離子吞食器、功率測量靶等處的壁面碰撞產(chǎn)生的氣體。
圖4 NBITF 低溫真空系統的氣源分布示意圖
圖4 所示的各符號的意義及各氣源氣量大小的分析計算方法可參見(jiàn)文獻。對NBITF 低溫真空系統而言，雖然氣源特性受實(shí)驗過(guò)程的影響，但在假定束流粒子與壁面碰撞后將產(chǎn)生與其粒子數相當的氣體的前提下，其總氣體負載的大小可認為等于系統的總進(jìn)氣量Q。Q 的大小取決于：離子源的氣體利用效率ηg；離子源引出的離子束中H+1 、H+2、H+3 的成分比ε1：ε2：ε3；離子源引出束流I；中性化室達到最佳靶厚所需要的補充充氣量QNeu。假定ηg=0.5，ε1：ε2：ε3 為0.8、0.14、0.06，I=70 A，QNeu=1.33 Pa·m3/s，則可算得Q=3.56 Pa·m3/s。
2.3、低溫真空系統的熱負荷特性
低溫真空系統的總熱負荷主要包括前后兩組低溫冷凝屏的熱負荷以及為兩組低溫冷凝屏輸送冷量的傳輸管線(xiàn)的熱負荷兩部分。低溫冷凝屏有冷凝板所屬的氦側和防輻射擋板所屬的氮側兩個(gè)相對獨立的冷卻回路，故每一部分的熱負荷又可分為氦側熱負荷和氮側熱負荷。低溫冷凝屏的氮側熱負荷相對應的冷量設計為由來(lái)自液氮貯槽的液氮提供，在此不做分析，僅重點(diǎn)討論氦側熱負荷及其大小，以便為氦側冷量供給方式的選擇提供依據。
冷凝板所屬的氦側熱負荷受NBITF 工作狀態(tài)的影響，當NBITF 處于實(shí)驗狀態(tài)(包括離子源起弧和束引出)時(shí)，冷凝板將承受Q=3.56 Pa·m3/s的氣體冷卻、冷凝載熱，當NBITF 處于實(shí)驗等待狀態(tài)則不需要考慮這部分氣體冷卻、冷凝載熱。單位氣體量的H2 在冷凝板上的冷卻、冷凝載熱按qc=4.4 J/Pa·m3 考慮，則當NBITF 處于實(shí)驗狀態(tài)時(shí)冷凝板將承受的熱負荷QH2=15.66 W。
假定與冷凝板相對的防輻射擋板經(jīng)發(fā)黑處理后發(fā)射率σ=0.9、溫度T1=90 K，冷凝板溫度T2=4.5 K、其發(fā)射率受加工工藝與雜質(zhì)氣體冷凝沉積的影響取為σ2=0.5。則對冷凝板面積A1=6 m2 的前低溫冷凝屏，其受到來(lái)自防輻射擋板的輻射熱Qr1=10.58W；對冷凝板面積A2=8 m2 的后低溫冷凝屏，其受到來(lái)自防輻射擋板的輻射熱Qr2=14.88 W。由于經(jīng)過(guò)發(fā)黑處理的防輻射擋板具光學(xué)密閉特性，經(jīng)防輻射擋板透射到低溫冷凝板上的熱負荷忽略不計。
前低溫冷凝屏的冷凝板由10 個(gè)304 不銹鋼吊掛件吊掛于防輻射擋板上，吊掛件為夾板式結構，其截面積A=30 mm2、單側長(cháng)度L=250 mm，取T1=90 K、T2=4.5 K，則由吊掛件帶給前低溫冷凝屏冷凝板的總熱負荷Qc1=1.01 W。后低溫冷凝屏由直徑為0.8 mm 的鋼絲懸掛在防輻射擋板上，其導熱可忽略不計，
NBITF 前后兩低溫冷凝屏間擬采取串聯(lián)連接的方式與冷量輸送管道相連接，根據其在NBI 實(shí)驗室的總體規劃，氦輸液回氣管的總長(cháng)度按20 m考慮。因NBITF 需要的維護工作量比較大，為維護方便考慮，氦輸液回氣管采用多層絕熱的單根插拔式設計，其漏熱按0.1 W/m 考慮，則氦輸液回氣管總漏熱QTL=2 W。
根據以上分析，可確定NBITF 低溫真空系統在實(shí)驗狀態(tài)時(shí)的氦側熱負荷QHe=44.13 W，實(shí)驗等待狀態(tài)時(shí)的氦側熱負荷QHe=28.47 W。
2.4、低溫真空系統的冷量供給
在NBITF 低溫真空系統冷量供給方式的選擇上需考慮的因素有：(1) 在NBITF 上開(kāi)展的各種與束生成和傳輸相關(guān)的實(shí)驗均需要低溫真空系統的支持，低溫真空系統的穩定工作對實(shí)驗的正常開(kāi)展有非常重要的意義；(2) 在NBITF 上開(kāi)展與束生成和傳輸相關(guān)的實(shí)驗時(shí)，考慮到高電壓、束引出條件下的人身安全問(wèn)題，須采用遠程實(shí)時(shí)測控方式；(3) 在NBITF 上連續開(kāi)展實(shí)驗工作的量大、時(shí)間長(cháng)，其低溫真空系統的冷量供給方式在經(jīng)濟性上應具有比較優(yōu)勢。
低溫冷凝屏防輻射擋板冷卻及維持溫度于設定值所需的液氮采用專(zhuān)門(mén)的、容積為10 m3 的液氮貯槽提供，實(shí)驗期間根據需要從市場(chǎng)上采購液氮予以補充。低溫屏冷凝板冷卻及維持溫度于設定值所需的液氦有兩種可選方式：根據實(shí)驗安排臨時(shí)外購；購買(mǎi)氦制冷機組建氦氣液化、供冷、回收再液化子系統。由于低溫冷凝抽氫過(guò)程對溫度的敏感性很高且低溫溫度測量有時(shí)滯性，為了獲得穩定的低溫真空特性、避免非預期的再生，最佳方式是按照不小于實(shí)驗狀態(tài)時(shí)的氦側熱負荷向冷凝板提供冷量。NBITF 每年的累計實(shí)驗時(shí)間預計不少于100 天，假定需要的液氦僅需支付50 元/ 升的液化費用，則每年需要花費不少于760 萬(wàn)的液化費。根據QHe 值的大小并考慮1.5 倍的安全因子以及后期樣品測試室安裝低溫冷凝屏的冷量需求，經(jīng)市場(chǎng)調研最終選定經(jīng)適當改造的瑞士LINDE 公司LR70 氦制冷機組建專(zhuān)門(mén)的氦氣液化、供冷、回收再液化子系統。該制冷機在無(wú)液氮預冷模式下確保具備100 W×4.5 K 的供冷能力，可完全滿(mǎn)足NBITF 的用冷需求。NBITF 低溫真空系統流程圖如圖5 所示。
圖5 NBITF 低溫真空系統流程圖
在實(shí)驗期間，通過(guò)制冷機連接NBITF 的冷量輸出口控制閥可方便實(shí)現對低溫真空系統的降溫、維持冷凝面溫度穩定、回溫再生等過(guò)程控制，多余的冷量將以液氦的形式暫時(shí)儲存在液氦杜瓦內，必要時(shí)可通過(guò)點(diǎn)加熱絲進(jìn)行液面控制，也可通過(guò)氣體管理模塊降低壓縮機排氣口的壓力來(lái)調整制冷機的冷量輸出能力以匹配N(xiāo)BITF 的氦側冷量需求。
3、實(shí)驗結果及討論
在完成NBITF 低溫真空系統兩低溫冷凝屏的研制及氦制冷機的采購安裝后，對低溫冷凝屏進(jìn)行了常溫和液氮溫度下的漏率測試，對制冷機進(jìn)行了制冷能力測試。氦制冷機在無(wú)液氮預冷條件下的制冷能力為126W×4.5 K，在輔助抽氣機組分子泵排氣口用氦質(zhì)譜檢漏儀檢漏并證實(shí)無(wú)可檢出漏點(diǎn)后，連接氦制冷機與低溫冷凝屏進(jìn)行了抽速測試并配合離子源進(jìn)行了起弧和束引出實(shí)驗，實(shí)測對氫總抽速大于1.4×106 L/s，能很好滿(mǎn)足NBITF 實(shí)驗需求，并能方便的實(shí)現對低溫真空系統降溫、冷凝面溫度調節、回溫再生等過(guò)程的遠程控制，該設計應能推廣應用于同類(lèi)型的EAST-NBI 項目。
