中性束系统大抽速低温泵的基本结构

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

  通常低温泵由以下几个部分组成:(1)4.2~20 K温度的冷面;(2)60~80K温度的热屏蔽层(辐射屏蔽层);(3)连接到辐射屏蔽的挡板;(4)冷却回路;(5)在常温下的容器;(6)其它部分冷面;(7)测量,电源等部分。

  在HL-2A NBI上的钛泵布置如图3 所示。因为前期HL-2M中性束束线的方箱将可能沿用现有HL-2A NBI的真空室结构,所以低温泵的位置就是现在钛泵所在的位置,在两侧只有预留约10~25mm 的安装空间。液氦和液氮将被用来作为工作气体。原来钛泵吸附器方箱尺寸为:高1800mm,长1000mm,宽220mm。扣除安装空间后,实际低温泵主体可以采用的最大尺寸为:高1750mm,长950mm,宽200mm。

在HL-2A NBI上的钛泵布置示意图

1. 离子源2.中性化器3.钛泵4.偏转磁铁5.钛泵6.热测靶

图3 在HL-2A NBI上的钛泵布置示意图

  中性束上的低温泵主体结构示意图如图4所示,图5示意性显示HL-2M NBI用低温泵的液氦和液氮两个温度回路。首先是低温面的低温回路( 低温面如图4显示),这其实就是实际的泵组部分,其次是较高的温度的辐射屏蔽回路部分(见图4)。在初步设计中一共有3个的独立的泵体部分,2个大的完全一样(如图3中3的位置),1个较小尺寸的(如图3中5的位置);设计氢吞吐量为5 Pa·m3/s(H2),单个泵体的理论抽气速度约为259m3/s。设计能在一定高真空压力条件能够保持超过4h的运行而不需要再生

中性束上的低温泵主体示意图

(左:整个主体;右:侧面)

图4中性束上的低温泵主体示意图

液氦和液氮回路示意图

图5 液氦和液氮回路示意图

  低温泵的总的冷面约为3.4m2。采用活性炭吸氢的能力需要达到25,000Pa·m3/(kg 吸附)(这主要和我们采用的活性炭涂层有关);对于单位面积冷面上,相当于1Pa·m3/cm2。活性炭涂层单个泵体要达到约2.7m2。对于中性束实验,需要泵组在4h内建立大概10-3~10-4 Pa的真空。该低温泵在低温板上用液氦冷却到名义上的4.5K,用液氮在折流板上冷却达到名义上的77K。再生过程时,加热低温板时使用电加热办法达到约100K,他们将释放累积的氢气。再生过程中,辐射屏蔽上使用液氮保持在约77K。这样保护冷凝表面对抗红外辐射,在泵处于室温条件下时,该77K挡板有以下几个功能:

  (1)在真空容器中保护凝结表面对抗辐射;

  (2)凝结水蒸汽;

  (3)传输气体接近凝结表面。

  离心泵被用来强制液氦在饱和压力下通过低温面。因此,主要冷却过程是由液氦汽化的过程实现的;液态和气态的氦流,在串联的各低温面上,强烈的影响着压降比; 此外,还影响了在不同的运作情况下的热负荷 。总的来说前侧的低温泵被设计为V 字型(肩章型)折流板,折流板投影面积约为1.7m2,夹角为90°,可以查真空手册知道此时的流导概率为0.48,折流板结构如图6显示。辐射屏蔽是由位于低温泵上方的有液面控制的冷却液氮池来进行(参见图4右侧所示)。冷却回路如图5所示,初步考虑了500L存储液氮和液氦的低温杜瓦结构。

77K的V字型折流板的机械结构

图6 77K的V字型折流板的机械结构

  关于V字型折流板的基本结构,如图6所示;需要注意的是为了提高辐射率,这个V字型挡板还需要黑化;IPP是采用Al2O3/TiO2陶瓷来进行的黑化处理。

  另一个关键技术是活性炭涂层技术。在这方面,德国FZK已经投入实施并取得成功的结果。他们为ITER研制的活性炭低温吸附面试验原型如图7 所示,IPP NBI采用的活性炭低温吸附面试验原型也是极为类似的结构,这种方式特别是对氢气非常有效(当然前提要考虑热负荷)。在日本JT-60 NBI低温泵上,采用的铝涂层绗缝不锈钢板作为此用途。

ITER采用的活性炭低温吸附面试验原型

图7 ITER采用的活性炭低温吸附面试验原型

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