基于MC的差分式低温泵人字形挡板结构分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院等离子体物理研究所 作者:崔伟

  差分式低温冷凝泵主要用来维持EAST-NBI内的真空环境,以满足中性束生成与传输过程对真空压力分布的要求。人字形辐射挡板吸收高温壁面的辐射热,冷却到达低温冷凝板的气体。传输几率是影响人字形辐射挡板的一个重要的参数。为了寻求最佳的人字形辐射挡板的结构参数,文中主要利用蒙特卡罗方法,模拟气体分子的运动过程,计算不同参数下人字形辐射挡板的传输几率。根据中性束注入装置的尺寸要求,确定了人字形辐射挡板的具体尺寸。这为进一步优化人字形辐射挡板提供了理论基础。

1、引言

  中性束注入加热(neutralbeaminjection,简称NBI)主要是利用注入的高能中性粒子束在等离子体中的电离、热化,最终把能量转化成等离子体的内能,从而提高等离子体温度。EAST-NBI是一套为EAST提供中性束注入加热的装置,如图1所示。中性束传输过程所需真空环境由真空获得设备来实现。为了获得满足EAST-NBI所要求的大气体负载下的洁净真空环境,考虑到空间有限、电磁环境恶劣等情况,EAST-NBI选用低温冷凝泵作为主要真空获得设备

中性束注入装置结构示意图

图1 中性束注入装置结构示意图

2、结构

  EAST-NBI主抽气系统用两台不同抽速的低温冷凝泵分别布置于主真空室第一段(主低温冷凝泵)和第三段(差分式低温冷凝泵)。

  EAST-NBI用差分式低温冷凝泵由三层结构,呈圆饼状,以与中性束传输方向垂直的方式布置于主真空室第三段,如图2所示。该差分式低温冷凝泵的中间一层为低温冷凝板,其上设置了依靠真空钎焊固定的低温管道。为吸收高温壁面的辐射热,冷却到达低温冷凝板的气体,在低温冷凝板的两侧分别布置了由液氮冷却的人字形辐射挡板。人字形辐射挡板对低温冷凝板形成一次光屏蔽,做到既避免热辐射直接照射到低温冷凝板上,又可以使低温冷凝板维持较低的温度,以利于提高对气体分子的捕获几率。但人字形辐射挡板的存在也阻挡了被抽气体分子的运动,对低温冷凝泵的抽速也有影响。

  故影响人字形辐射挡板性能的主要参数是传输几率W和透射系数tp。对人字形辐射挡板来说,传输几率越大,透射系数越大,挡板阻挡热辐射的效果越差;传输几率越小,透射系数越小,挡板阻挡热辐射的效果变好,但同时也会阻挡被抽气体分子的运动。故人字形辐射挡板设计时应尽量提高传输几率,减小透射系数。传输几率主要取决于人字形辐射挡板的结构参数。挡板对散射光子的传输能力(即透射系数)决定了来自真空室的热辐射施加到低温冷凝板上的热负荷,此透射系数主要取决于人字形辐射挡板的结构参数及其挡板表面对热辐射的吸收率。根据文献,当人字形叶片的夹角为120°时,透射系数与此夹角的关系不大,但传输几率具有一个明显的最大值。采用表面喷涂黑色油漆的方式,对传输几率没有影响,但可以大大提高人字形叶片表面的吸收率,进而可以降低人字形辐射挡板的透射系数。EAST-NBI用差分式低温冷凝泵主要采用的是液氮冷却的、夹角为120°、表面采用黑色油漆喷涂的人字形辐射挡板。本文主要利用蒙特卡罗方法,根据实际的装置几何尺寸,寻求最佳的人字形挡板结构参数。

差分式低温冷凝泵的结构示意图

图2 差分式低温冷凝泵的结构示意图

5、结论

  (1)本文运用蒙特卡罗方法模拟人字形辐射挡板的传输几率。计算结果表明,人字形辐射挡板的传输几率随着叶片间重叠距离的增大而减小。这为人字形辐射挡板的结构优化提供基础。

  (2)通过查阅相关文献,综合考虑人字形辐射挡板的传输几率和透射系数,该人字形辐射挡板的结构参数为:a=76.2mm;b=44mm;c=3.9mm;传输几率为0.26;透射系数约为10-4

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