EAST装置的内置式低温冷凝泵系统(2)

2010-03-18 胡庆生中国科学院等离子体物理研究所

　　环体泵的常温辐射屏、外侧液氮辐射保护屏、内侧液氮辐射保护屏以同心的形式组装在一起，常温辐射屏可以限制高能粒子对液氮辐射保护屏的影响，而液氮辐射保护屏可以防止氦管冷凝面由于结霜过多，这可以保持环体泵保持较好的抽气能力。液氮辐射保护屏是一种弯曲的环形体，由1个环形壳体与1根氮管焊连而成，液氮流过氮管并通过与此环形壳体的传导冷却壳体温度，虽然冷却过程中壳体的温度会不均匀分布，但由于壳体上通过等离子体喷涂了斑马纹形的铜质热传导带，使壳体的稳态温度是均匀分布的，从而对氦管路提供了均匀的热屏蔽防护。屏蔽壳体是开有抽气窗口的，与窗口对应的是1列焊接槽口阵列，在槽口中通过焊剂金属的填充，使屏蔽壳体与液氮管连接在一起，屏蔽壳体的冷却主要是通过这些槽口的焊连来完成冷却传导的。图3是这种热传导带的1件试验件样品。

　　整个内置式低温泵与托卡马克的低温腔室即外杜瓦之间是电气隔离的，低温泵在内真空室上的支撑并没有导致托卡马克内、外真空室之间的电气连通，而低温液体分配阀箱与托卡马克的外杜瓦及内真空室也是电气隔离的。这样设计可以防止意外的电流的串流可能导致的对人员或设备的损害，预防可能的电流对低温液体的加热效应。在 EAST上绝缘材料可以耐受10KV的高压。

　　首次设计与研制应用于托卡马克的内置式低温冷凝泵，面临着很多挑战，材料的深低温性能，结构的收缩与舒展变化对结构的影响，环境热负荷的有效控制，弯管与焊接工艺的控制，真空检漏等，均需要考虑。主要的制作过程包括了弯管与壳体的空间切割、冷却管路的焊接、铜质涂附层的等离子体喷涂、弯管的热处理、焊缝及材料的检漏、单元零件的安装与连接等。为了预防等离子体放电破裂导致的感生电流的影响，环体泵的材料采用了名为因科耐尔625的高镍合金，这种合金的特点是热变形小，电阻率大。

　　由于环体泵是由不同型号的弯管组合而成，考虑到加工变形与降温过程中的收缩变形的影响，弯管工艺所要求的公差很小，这迫使我们在工程时间很进展的条件下，仍然做了弯管的变形试验。而液氮辐射保护屏的切割首次采用了激光切割工艺，从而保证了焊接槽的尺寸及分布精度的要求，这也确保了后续焊接的残余应力均匀分布。在正式安装之前，所有的弯管件及焊接件均做了去残余应力的热处理工艺，这减少了零件在正式安装后再变形的可能性。所有的密封管路均做了严格的真空检漏，剔除了有缺陷的管材，并在正式安装初步完成后，发现了 2 个焊接漏点，及时做了补漏处理。图4显示了一个环体泵单元在专用工装内进行的正压条件下的高真空检漏。

　　在环体泵的上方，安装了用于偏滤器物理实验的被动靶板，并形成了环形抽气槽口，但部分被动靶板位置开设了等离子体诊断窗口，使环体泵的部分端直接面对等离子体，为了确保偏滤器抽气效果，所有使环体泵暴露的诊断开口位置，均做了专门的封闭措施，既不影响诊断的视场，又确保环形抽气槽口是内置式低温泵唯一的有效抽气口，这样偏滤器区域中性气体粒子的输运在环向槽口上是均匀分布的。

3、测试与实验

　　在2008年8月，我们对 EAST 托卡马克装置上的首套内置式低温泵做了性能测试。在等离子体放电过程中，我们关闭所有其它真空泵，仅留该低温泵对放电真空室进行抽气，结果显示该泵对混合气体的有效抽速为 2.6×10⁴L/s，这个抽速几乎相当于所有其它用于放电真空室的抽气泵效果的总和。随后我们又通过流量计对放电真空室以稳定的速度充氘气，充气速度为 416PaL/s, 结果显示对氘气的有效抽速为 7.56×10⁴L/s，这种充气持续了100 分钟，结果显示该泵有能力冷凝吸附总量为 2.5×106PaL的氘气，这很适合 EAST长脉冲放电的需要。图5 显示了饱和吸附量测试过程曲线。在测试过程中，液氦的流量为 3g/s，这意味着低温供液系统还有较大的裕量。液氮辐射保护屏从室温降低到 80K仅用了不到2小时，氦管冷却到液氦温度仅用了不到 3.5小时，这说明系统的屏蔽防护获得了成功。在 2009 年春季的 EAST 实验中，该套内置式低温泵用于偏滤器物理实验，实验显示，该泵的使用抑制了杂质成份的总量和比例，影响了偏滤器区域的热流分布，获得了一些很有意义的物理结果。

　　在2009年的实验中，该泵的运行与再生规律获得了探索，初步预计大约每 400 炮放电后需要再生 1 次。再生就是通过升温释放出冷凝吸附面上的气体霜层，并通过其它抽气系统将释放出来的气体排除，从而维持内置式低温泵的冷凝吸附能力。如果氦管仅仅升温到 20K 以上，作为主要被吸附的气体氢将会大量释放出来，这种再生仅需要约半小时。如果需要将整个系统回温度到室温，则大约需要 8 小时，这样彻底的再生运行一般可以安排的夜间进行而不影响白天正常的实验放电。

　　虽然内置式低温泵对抽除氢气、氘气效果明显，但对氘化物和氦气的冷凝吸附效果不明显，这可能与这些气体在低温条件下的饱和蒸气压水平偏高有关，实际运行过程中仍然需要用高真空分子泵或拖动泵进行排除。