中性束系统大抽速低温泵的工作原理

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)核工业西南物理研究院 作者:江涛

  目前,低温泵广泛用于受控核聚变,粒子加速器和现代半导体技术领域。在受控核聚变装置的中性束系统中,由于离子源放电以及离子束的中性化过程需要较大流量的脉冲送气,而中性化后的中性束又需要在高真空中传输,因此在中性化后的束线真空系统中需要一种高速的抽气系统。针对NBI束线的高速抽气,通常有两种方案,一种是钛泵,另一种是低温泵。目前在HL-2A装置的1兆瓦中性束束线上,尽管钛泵运行方便可靠,但是人们已经发现钛泵的容量和抽速是有限的,特别是对于长脉冲的运行,当脉冲时间超过十秒时这种缺陷就变得相当明显。同时,钛蒸汽对系统内的其它部件有较大的影响,甚至于造成损坏。

  早在1977年前,低温泵系统就已成功地用于几个聚变实验装置(HVTS,TFTR)的中性束注入系统,当前对于托卡马克中性束系统,长脉冲的运行已经成为了一个非常重要的要求。比如:在国际热核聚变堆ITER的NBI上脉冲运行时间将大于1000s,2007年修改为稳态运行要求达到3600s。而在德国IPP中性束实验平台MANITU上长脉冲束引出实验已经达到了这一要求。所有这些都要求具有可靠的稳定性和实际的可操作性和持续运行的大抽速真空泵,才能实现更多的中性束注入。目前,低温泵已经被证明是一种性能优秀的抽气装置。即使是在真空室超压、意外泄漏、或是暴露大气时,泵也只是暂时失去其能力,一但泵经过再生状态后又可以继续使用;而且它不产生振动,也就是说不会干扰某些实验,这也使得低温泵成为在半导体和航空航天工业上的首选。当前,国外大型托卡马克装置日本JT-60U,美国DIII-D,德国ASDEX-U,英国JET等的中性束真空系统均采用了低温泵。ITER中性束实验装置的概念和设计也是采用大抽速低温泵为主泵。HL-2A中性束束线系统主体是从德国引进的,其真空室结构与现在运行于德国ASDEX- U NBI的真空室极为相似。结合低温泵在德国的应用以及HL- 2A NBI的真空室结构,对改造与升级后的HL-2M的大功率长脉冲中性束真空系统,我们进行了高抽速低温泵的初步设计。

  通常情况,低温泵是属于气体吸附真空泵,其工作范围为0.1Pa ~10-9Pa之间。工作原理就是泄漏的气体被吸附到冷面上,它主要的三种作用方式为:低温冷凝低温吸附和低温捕捉。如图1 说明了其过程。为了达到高真空和超高真空,冷面上必须达到足够低的温度。依据冷却系统的不同,又可以分为压缩机式低温泵,浴式低温泵以及蒸发式低温泵。

低温原理示意图

图1 低温原理示意图

低温泵原理示意图

图2 低温泵原理示意图

  结合HL-2A NBI 真空室的结构,如图2所示,在本设计中,低温泵的主体基本上分为两个温度回路。首先,带冷面的低温回路,这其实就是泵的主体部分,其次,有较高温度的辐射屏蔽回路部分。外回路屏蔽了整个寒冷的内回路。外回路,凝聚高沸点的气体,例如水和油,从而节省了内回路的表面积和制冷能力,内回路主要作用于低沸点的气体,如氮等。为了能对氢气产生较好的抽气效果,按照常规不锈钢冷面温度还必须低于3.8K。这就产生了对低温的供应单位和低温泵的泵体设计的强烈需求。根据现有真空室的结构,中性束系统所采用的低温泵属于巨型泵,其低温面表面积达到了约3.4m2

  一般来讲,任何在3.8K以下的低温,这都是很难以实现的。活性炭在组合式的吸附泵上的使用,正是为了解决这个问题,在德国FZK技术物理研究院的低温泵设计中就使用了活性炭涂层于低温吸附面上的方法,活性炭涂层具有独特的优势使得吸附氢气可以发生在温度低于20K时就进行,这样在具体的温度应用范围方面就有了更大的容量,同时对气体也有更高的抽气速度。实际低温泵在冷头部分涂以高吸附材料,除了活性炭还有沸石氧化铝。随着吸附剂的饱和,吸附的效率将逐渐会下跌,但是可以通过加热沸石等吸附材料除气从而可以更新重复使用(最好在低气压的条件下进行)。另外,需要注意的是沸石材料的多孔结构导致的临界温度可能会限制能被加热再生使用的最高温度。对于活性炭达到饱和时,同样泵也需要进行再生。再生时间依据不同类型的泵而不同。就通常的大型低温泵而言其再生周期通常需要3~4h,一般在实验结束后的夜间进行。

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