中性束系統(tǒng)大抽速低溫泵的工作原理
目前，低溫泵廣泛用于受控核聚變，粒子加速器和現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域。在受控核聚變裝置的中性束系統(tǒng)中，由于離子源放電以及離子束的中性化過(guò)程需要較大流量的脈沖送氣，而中性化后的中性束又需要在高真空中傳輸，因此在中性化后的束線真空系統(tǒng)中需要一種高速的抽氣系統(tǒng)。針對(duì)NBI束線的高速抽氣，通常有兩種方案，一種是鈦泵，另一種是低溫泵。目前在HL-2A裝置的1兆瓦中性束束線上，盡管鈦泵運(yùn)行方便可靠，但是人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鈦泵的容量和抽速是有限的，特別是對(duì)于長(zhǎng)脈沖的運(yùn)行，當(dāng)脈沖時(shí)間超過(guò)十秒時(shí)這種缺陷就變得相當(dāng)明顯。同時(shí)，鈦蒸汽對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的其它部件有較大的影響，甚至于造成損壞。
早在1977年前，低溫泵系統(tǒng)就已成功地用于幾個(gè)聚變實(shí)驗(yàn)裝置(HVTS，TFTR)的中性束注入系統(tǒng),當(dāng)前對(duì)于托卡馬克中性束系統(tǒng)，長(zhǎng)脈沖的運(yùn)行已經(jīng)成為了一個(gè)非常重要的要求。比如：在國(guó)際熱核聚變堆ITER的NBI上脈沖運(yùn)行時(shí)間將大于1000s，2007年修改為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行要求達(dá)到3600s。而在德國(guó)IPP中性束實(shí)驗(yàn)平臺(tái)MANITU上長(zhǎng)脈沖束引出實(shí)驗(yàn)已經(jīng)達(dá)到了這一要求。所有這些都要求具有可靠的穩(wěn)定性和實(shí)際的可操作性和持續(xù)運(yùn)行的大抽速真空泵，才能實(shí)現(xiàn)更多的中性束注入。目前，低溫泵已經(jīng)被證明是一種性能優(yōu)秀的抽氣裝置。即使是在真空室超壓、意外泄漏、或是暴露大氣時(shí)，泵也只是暫時(shí)失去其能力，一但泵經(jīng)過(guò)再生狀態(tài)后又可以繼續(xù)使用；而且它不產(chǎn)生振動(dòng)，也就是說(shuō)不會(huì)干擾某些實(shí)驗(yàn)，這也使得低溫泵成為在半導(dǎo)體和航空航天工業(yè)上的首選。當(dāng)前，國(guó)外大型托卡馬克裝置日本JT-60U，美國(guó)DIII-D，德國(guó)ASDEX-U，英國(guó)JET等的中性束真空系統(tǒng)均采用了低溫泵。ITER中性束實(shí)驗(yàn)裝置的概念和設(shè)計(jì)也是采用大抽速低溫泵為主泵。HL-2A中性束束線系統(tǒng)主體是從德國(guó)引進(jìn)的,其真空室結(jié)構(gòu)與現(xiàn)在運(yùn)行于德國(guó)ASDEX- U NBI的真空室極為相似。結(jié)合低溫泵在德國(guó)的應(yīng)用以及HL- 2A NBI的真空室結(jié)構(gòu)，對(duì)改造與升級(jí)后的HL-2M的大功率長(zhǎng)脈沖中性束真空系統(tǒng)，我們進(jìn)行了高抽速低溫泵的初步設(shè)計(jì)。
通常情況，低溫泵是屬于氣體吸附真空泵，其工作范圍為0.1Pa ~10-9Pa之間。工作原理就是泄漏的氣體被吸附到冷面上，它主要的三種作用方式為：低溫冷凝，低溫吸附和低溫捕捉。如圖1 說(shuō)明了其過(guò)程。為了達(dá)到高真空和超高真空，冷面上必須達(dá)到足夠低的溫度。依據(jù)冷卻系統(tǒng)的不同，又可以分為壓縮機(jī)式低溫泵，浴式低溫泵以及蒸發(fā)式低溫泵。
圖1 低溫原理示意圖
圖2 低溫泵原理示意圖
結(jié)合HL-2A NBI 真空室的結(jié)構(gòu)，如圖2所示，在本設(shè)計(jì)中，低溫泵的主體基本上分為兩個(gè)溫度回路。首先，帶冷面的低溫回路，這其實(shí)就是泵的主體部分，其次，有較高溫度的輻射屏蔽回路部分。外回路屏蔽了整個(gè)寒冷的內(nèi)回路。外回路，凝聚高沸點(diǎn)的氣體，例如水和油，從而節(jié)省了內(nèi)回路的表面積和制冷能力，內(nèi)回路主要作用于低沸點(diǎn)的氣體，如氮等。為了能對(duì)氫氣產(chǎn)生較好的抽氣效果，按照常規(guī)不銹鋼冷面溫度還必須低于3.8K。這就產(chǎn)生了對(duì)低溫的供應(yīng)單位和低溫泵的泵體設(shè)計(jì)的強(qiáng)烈需求。根據(jù)現(xiàn)有真空室的結(jié)構(gòu)，中性束系統(tǒng)所采用的低溫泵屬于巨型泵，其低溫面表面積達(dá)到了約3.4m2。
一般來(lái)講，任何在3.8K以下的低溫，這都是很難以實(shí)現(xiàn)的。活性炭在組合式的吸附泵上的使用，正是為了解決這個(gè)問(wèn)題，在德國(guó)FZK技術(shù)物理研究院的低溫泵設(shè)計(jì)中就使用了活性炭涂層于低溫吸附面上的方法，活性炭涂層具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)使得吸附氫氣可以發(fā)生在溫度低于20K時(shí)就進(jìn)行，這樣在具體的溫度應(yīng)用范圍方面就有了更大的容量，同時(shí)對(duì)氣體也有更高的抽氣速度。實(shí)際低溫泵在冷頭部分涂以高吸附材料，除了活性炭還有沸石或氧化鋁。隨著吸附劑的飽和，吸附的效率將逐漸會(huì)下跌，但是可以通過(guò)加熱沸石等吸附材料除氣從而可以更新重復(fù)使用（最好在低氣壓的條件下進(jìn)行）。另外，需要注意的是沸石材料的多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的臨界溫度可能會(huì)限制能被加熱再生使用的最高溫度。對(duì)于活性炭達(dá)到飽和時(shí)，同樣泵也需要進(jìn)行再生。再生時(shí)間依據(jù)不同類型的泵而不同。就通常的大型低溫泵而言其再生周期通常需要3~4h，一般在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的夜間進(jìn)行。
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