《MW级中性束注入器低温真空系统的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《MW级中性束注入器低温真空系统的设计（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、M W 级中性柬注入器低温真空系统的设计M W 级中性束注入器低温真空系统的设计胡纯栋，谢远来，N B I 组( 中科院等离子体物理研究所合肥2 3 0 0 3 1 )【摘要】中性束注入器( N B ! ) 是一套用来产生高能带电粒子束并对其进行中性化的设备。介绍了E A S T - N B I 的基本工作原理，分析了该N B I 对真空系统的要求，讨论并确定了其真空系统的总体布局，设计采用差份式真空系统结构并选择以低温冷凝屏的形式布置在真空系统内部的低温泵作为真空主抽气泵，给出了低温冷凝屏的原理结构和冷凝屏的温度控制模式。1 一1 一一、刖舌通过向聚变等离子体中注入高能粒子柬，利用高能粒子与
2、背景等离子体的相互作用可达到有效加热等离子体并驱动出等离子体电流的目的。对于磁约束聚变等离子体，由于强大磁场的存在，带电粒子不能入射到等离子体内部，必须注入高能中性粒子才能实现有效加热等离子体并驱动出等离子体电流的目的。中性束注入器( N e u t r a lb e a mi n j e c t o r ，N B I ) 是一套能产生并输送高能中性粒子束的设备，其真空性能的优劣关系着束传输效率的高低并影响到整个束线内其他部件的使用寿命与使用安全【l J 。为了实现国家重大科学工程项目E A S T 的科学目标，拟建立束能量5 0 8 0k e V 、束脉宽1 0 1 0 0s 、束功率4M
3、w 的N B I( E A S T - N B I ) ，本文讨论了该N B I 真空系统的设计。二、E A S T - N B I 的基本工作原理及其对真空系统性能的要求进图1E A S T - N B I 工作原理示意图E A S T - N B I 由N B I 束线、电源系统、控制系统等多个子系统组成，真空系统是其中非常重要的一个子系统。E A S T - N B I 的工作原理示意图如图1 所示，产生并向聚变等离子体注入中性束的过程由几个基本环节组成：离子源利用气体放电形成源等离子体，源等离子1 2 4全国首届粒子加速器真空、低温技术研讨会论文集体中的离子在离子源束引出系统静电场的作
4、用下被引出并加速形成高能离子束；与此同时，离子源内未被电离的工作气体扩散进入中性化室，与中性化室的补充充气一起形成高能离子束中性化所需要的电荷转换气体靶；在中性化室内，高能离子通过与电荷转换气体靶的靶分子碰撞，从而使其中的部分高能离子得以中性化为高能中性原子；由于离子束的中性化效率不能达到1 0 0 ，为了获得中性束，须将其中的离子成分分离掉，E A S T - N B I采用磁偏转模式，利用偏转磁场将离子偏转1 8 0 度而脱离原来的传输方向进入专门设计的离子吞食器；经过偏转磁场分离出离子后形成的高能中性粒子束流经漂移管道注入到E A S T 等离子体中以实现对E A S T 等离子体的加热
5、和电流驱动。产生并向聚变等离子体注入中性束的不同环节对真空压力的要求不同，一般而言，气体电离形成源等离子体所要求的压力为0 5 1 P a 、中性化室的平均工作压力为0 1P a 、中性束漂移段的压力为l u 。l u 。P a 量级。E A S T - N B I 设计为运行氘束，其真空系统以氘气为被抽气体，在设计上除了须保证形成的真空压力分布满足一般性要求外，。考虑到E A S T 聚变实验大厅内的空间有限、电磁环境恶劣等情况，要求使用的真空获得设备须具备的基本特征有：几何尺寸尽可能小、对氘抽速大；真空洁净，没有高质量的杂质粒子流入E A S T等离子体区，污染等离子体；能用于有磁场和中子
6、辐照的环境，且能长期安全稳定运行；易于安装与维护，造价及运行费用相对较低。三、E A S T - N B I 真空系统基本布局设计及主真空获得设备选型为了满足E A S T - N B I 对真空压力分布的要求，在真空系统总体布局上有两套方案可供选择：单一真空室结构与差分式结构。采用单一真空室结构时，在不考虑气体分子定向流动的情况下，可认为整个N B I 束线内部处于同一压力；而采用差分式结构时，通过在N B I束线内部设置气体挡板并合理设置一定抽速的泵可形成满足设计要求的真空压力分布。假定E A S T - N B I 真空系统各气源产生的气体总量为3P a m 。s ( 实际气体总量大于该
7、假定值) ，按集中参数法进行分析，为满足中性束漂移段对压力的要求，采用单一真空室结构时需要设置对氘气抽速不低于3 0 1 0 。1 1 1 。s 的泵，在E A S T 实验现场空间条件非常有限的情况下，这一要求显然难以满足。为满足N B I 对束线内部压力梯度分布的要求，E A S T - N B I 拟采用差分式抽气结构，将中性束的漂移段与中性化室所在的真空室段最大限度的分开，以实现在获得良好N B I 真空性能的同时具有最佳的运行经济性。经初步概算，即使采用差分式抽气结构，E A S T - N B I 仍要求其真空获得设备能提供1 0 。m 。s 量级的对氘气的抽速，在空间条件有限的情
8、况下，由于流导的限制，常规的须管道连接的真空泵显然难以满足要求。当前国际上大型磁约束聚变装置在N B I 主真空获得设备的选型与设计上多采用或考虑采用低温泵作为主抽气泵【2 一“l 。考虑到等离子体物理研究所在低温冷凝抽气领域进行了数年的物理、工程与实验研究，积累了较丰富的经验，且低温冷凝泵同其它真空获得设备相比具有可以抽除除氦以外的气体且真空洁净、极限真空度高、有非常大的抽速、适合于在气体负荷大场合、占地面积少、布置灵活、无振动、无噪音、寿命长、结构简单等优点，为了满足E A S T - N B I 对真空系统的要求，E A S T - N B I 拟采用低温冷凝泵作为其真空系统的主抽气泵，
9、为最大限度利用泵的抽气能力，所采用的泵以低温冷M w 级中性束注入器低温真空系统的设计凝抽气屏( 简称低温冷凝屏) 的形式设置在E A S T - N B I 真空系统内部。E A S T - N B I 真空系统布局示意图如图2 所示，共设置前后两组低温冷凝屏，前低温冷凝屏布置在偏转磁体面向聚变装置的一侧，呈圆片状，中间留有供束通过的孔，从而起到挡板的作用；后低温冷凝屏呈圆环形，以与束线圆形真空室同轴的方式布置在中性化室部位，在后低温冷凝屏与偏转磁体间设置专门的挡板，挡板中间留有供束通过的孔。图2E A S T - N B I 低温真空系统布局示意图四、低温冷凝屏的基本结构设计作为低温抽气系
10、统主要部件的低温冷凝屏，其基本结构决定于被抽气体种类和安装使用条件，考虑到E A S T - N B I 低温真空系统的主要气体负载为氘气，为达到有效抽气的目的，其低温冷凝屏设计为由液氦( 三爿P ) 冷却的低温冷凝板( 简称冷凝板) 和液氮( “：) 冷却的防辐射挡板( 简称辐射挡板) 组成。冷凝板的主要功能是利用冷凝抽气机理抽除来自N B I 系统内各气源产生的气体，辐射挡板的主要功能是吸收来自高温壁面的辐射热以及冷却即将到达低温冷凝板的气体。前低温冷凝屏拟设计成呈圆片状，其冷凝板两侧均设置1 2 0 人字形挡板，前低温冷凝屏的基本结构原理图如图3 ( 左) 所示。前低温冷凝屏之冷凝板呈圆
11、片状，中间预留了放置功率测量靶及束流通过的孔。冷凝板冷却、冷凝气体形成真空抽气作用，冷凝板冷却、冷凝气体所吸收的热量由其上敷设的冷却管道内的L H e 带走，L H e 吸收热流后部分汽化并回流到低温中心重新液化。前低温冷凝屏的人字形辐射挡板由两片组成，分别设置在低温冷凝板的两侧，辐射挡板吸收的热量由其上敷设的冷却管道内的川：带走。前低温冷凝屏的辐射挡板和冷凝板组装在一起后依靠吊杆悬吊在N B I 真空室内的专用吊耳上。后低温冷凝屏呈圆环形，以与束线圆形真空室同轴的方式布置在中性化室部位。后低温冷凝屏由多组基于相同原理的结构单元组合成圆环形结构，基本结构单元原理图如图3 ( c a ) 所示，
12、其热全国首届粒子加速器真空、低温技术研讨会论文集辐射屏蔽原理、冷却方式与前低温冷凝屏相似。( 左)鹊低澄冷凝群( 右)赢低温冷凝屏图3 低温冷凝屏基本结构原理图E A S T - N B I 真空系统的气体负载主要来自两方面：由中性化室出口进入真空室的气体和束流中的部分粒子与柬流限制器、离子吞食器等处的壁面碰撞产生的气体。由中性化室出口进入真空室的气体量主要决定于离子源进气体量和中性化室的补充充气体量。根据文献 5 】，离子源进气气量的大小可表示为：T +3g 0 0 2 3 4 ”1 - “ 、了lr f )( 1 )。，g ，_ 1 。式中，为离子源的气体利用效率，I + 为自离子源引出的
13、离子束流强，I t 为含f 个原子核的离子在总离子束流中所占的份额。离子源进气气量中有1 ，g 份额的气体没有转变成离子而成为进入中性化室的顺流气体，它和中性化室的补充充气一起形成中性化离子束所需要的气体靶厚度。靶厚按最佳靶厚考虑，根据氘初始束中性转换的最佳靶厚与束能量的关系【5 1 可确定气体靶靶厚，以束能量为8 0k e v 的氘离子束为例，需要的气体靶靶厚为0 5P a 。根据以上分析可确定不同束参数下自中性化室出口进入真空室的气体量，而真空室内_ ，处因束流粒子与器壁碰撞所产生的气体量可按因碰撞而损失的束流粒子全部转换成气体进行概算，即：Q ，= Q k 册r ，尸口- 所3 s( 2
14、 )式中，如。为与总束流相当的当量气体量，r J 为，处损失的束流粒子占总束流的份额，g为，处因碰撞而损失的束流粒子转换成的气体量。由于采用了差分式真空系统布局结构，真空室内部分为三个相对独立的真空室段，真空室段间由于压差的作用会存在气体流动现象，需要进行平衡试算以确定各真空室段在设1 2 7M w 级中性束注入器低温真空系统的设计定的N B I 结构参数与运行参数的条件下所需的抽速大小。经综合考虑，初步确定E A S T - N B I前低温冷凝屏抽气面积单面3m 2 、两面共计6m 2 ，后低温冷凝屏抽气面积8m 2 ，通过设置气体挡板使得处于真空室第一、二段内的抽气面面积分别为6m 2
15、和2m 2 。五、低温冷凝屏的温度控制模式选择合适的低温冷凝屏冷却方式和运行温度控制模式对确保达到并维持低温冷凝屏运行温度的稳定以获得优良的抽气性能有重要意义。考虑到随着抽气时间的延长，冷凝板上的冷凝霜层的厚度在不断增加，根据低温冷凝抽气机理，这将影响冷凝屏的抽速以及真空系统内的压力分布。为了使真空系统能维持稳定的、符合E A S T - N B I 要求的长达1 0 0 s 的真空抽气且具有很好的经济性，设计采用动态调节冷凝板运行温度的冷凝板温度控制模式，温度调节范围初步确定为3 7 “ - 4 2 K 。为了达到并维持低温冷凝屏运行温度的稳定，E A S T - N B I 低温冷凝屏设计
16、采用迫流冷却方式冷却。采用迫流冷却低温冷凝屏是当前国际上大功率N B I 的通行设计方案，与采用自然对流方式的低温冷凝抽气系统相比，虽然初投资费用略高，但它除了运行成本低、抽气系统安装在实验现场的部分结构紧凑、可实现高度自动控制等优点外，更具以下特色：通过降低压力以过冷L H e 的方式可实现对低温冷凝抽气面温度的控制；在低温冷凝屏的布置上有更大的灵活性、对负载变化有更大的适应性；再生更容易，仅需关断低温冷凝屏L H e 入口的阀门即可立即实现。图4 低温冷凝屏的温度控制示意图E A S T - N B I 低温冷凝屏的温度控制示意图如图4 所示。前低温冷凝屏与后低温冷凝屏的L H e 、叫z 冷却管分别串联连接，考虑到三胁与删：的获得方式、使用成本的不同，t H e ：采用闭式循环、受热汽化后的氦气回到低温中心的制冷机重新液化的方式，而上z 采用一次性全国首届粒子加速器真空、低温技术研讨会论文集流过后前低温冷凝屏的辐射挡板、吸热汽化后直接排空的方式。控制低温冷凝屏温度的目的是为了获得更为
