中性束系统大抽速低温泵的参数和计算(1)

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

1、低温泵的抽速

  中性束系统基本结构由离子源、中性化器、偏转磁铁、离子吞噬器、热测靶等主要部分组成。而这些部件中主要的气体负荷来自于离子源和离子吞噬器,如图8 所示。

中性束系统基本原理示意图

  图8 中性束系统基本原理示意图

  关于低温泵理论抽速计算,由公式(1)可以得到抽气量为:

  式中:I+为总的引出电流(A);i为每个离子成分的质量数;Γi为束对应成分的百分数(参考值可以取:0.84:0.13:0.03);ηg 为效率系数(可以取0.28 为参考值)。对于HL-2M NBI的设计参数目前考虑为60 kV,35 A,3~5s,那么由公式(1)就可以得到抽气量Qs为1253Pa·L/s。依据带有挡板的低温泵的抽气速率公式(2):

式中S———泵的抽气速率,m3/s
  Vw———气体分子平均速度,m/s
  pC———冷凝板气体压力
  pw ———真空规气体压力,Pa
  Tw———真空规气体温度
  TC———冷凝板气体温度,K
  UB———屏蔽板的流导概率
  AB———屏蔽板的面积
  AC———冷凝板的面积,m2
  W,B,C———分别表示真空规、屏蔽板、冷凝板

  当低温冷凝板的温度TC 为低于12 K 时公式(2)可以简化为:

  屏蔽板的流导概率UB 是由其几何形状决定的,所以根据我们设计的夹角为90°,可以查真空手册知道此时的流导概率UB为0.48;由气体分子运动论中不难知道,气体分子热运动平均速度约为500m/s; 屏蔽板的面积A约为4.32m2;所以我们可以得到单个泵体的理论抽气速率就为259m3/s,总的理论抽速则为518m3/s。对应前面的气量计算,是能够满足需要的。

2、热负荷

  低温泵中冷凝板的热负荷来源主要是三个方面:(1)气体冷凝的热负荷(2)周围壁板的辐射热负荷(3)支撑结构传入的热量。由于中性束功率将达到几个兆瓦,所以在脉冲运行过程中尽管束线各个部件都有水冷却系统但是仍然会达到很高的温度。这些热量又会辐射到低温泵的77K低温挡板上,最终热辐射的多少决定了总的热负载。所以在中性束系统中对低温泵而言辐射热负荷是主要的。对应的工作状态可以分为以下三种:

  第一种,稳态运行;束线各个部件都被内部的水管冷却,所以可以认为部件此时温度就是冷却水的温度。此时中性化器不再放气,这样在这个低气压的真空室内(10-3~10-4Pa)是分子流状态的气体热传导;

  第二种,脉冲运行;可以估计这情况下各部件的温度将上升到甚至100℃,气体负荷会首先被挡板冷却,接下来全部负载到4.5K的低温冷面上。在这里,仍然是分子流状态的气体热传导;

  第三种,再生过程;要析出低温冷面上吸附的气体,必须将其加热到大约100K的温度。气体析出后,这些已知的气体热负载会传导到屏蔽层上,真空室内压力会增加,最后由前级抽气系统除去。此时气体主要处于粘滞流状态;

  按照HL-2M中性束系统设计参数60kV,35A,3~5s以及该低温泵的几何设计尺寸,那么低温泵的热负荷情况大致如下:

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