中性束系統(tǒng)大抽速低溫泵的參數(shù)和計(jì)算
1、低溫泵的抽速
中性束系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)由離子源、中性化器、偏轉(zhuǎn)磁鐵、離子吞噬器、熱測(cè)靶等主要部分組成。而這些部件中主要的氣體負(fù)荷來自于離子源和離子吞噬器,如圖8 所示。
圖8 中性束系統(tǒng)基本原理示意圖
關(guān)于低溫泵的理論抽速計(jì)算，由公式（1）可以得到抽氣量為：
式中：I+為總的引出電流（A）；i為每個(gè)離子成分的質(zhì)量數(shù)；Γi為束對(duì)應(yīng)成分的百分?jǐn)?shù)(參考值可以�。�0.84：0.13：0.03);ηg 為效率系數(shù)（可以取0.28 為參考值）。對(duì)于HL-2M NBI的設(shè)計(jì)參數(shù)目前考慮為60 kV，35 A，3~5s，那么由公式（1）就可以得到抽氣量Qs為1253Pa·L/s。依據(jù)帶有擋板的低溫泵的抽氣速率公式（2）：
式中S———泵的抽氣速率，m3/s
Vw———氣體分子平均速度，m/s
pC———冷凝板氣體壓力
pw ———真空規(guī)氣體壓力，Pa
Tw———真空規(guī)氣體溫度
TC———冷凝板氣體溫度，K
UB———屏蔽板的流導(dǎo)概率
AB———屏蔽板的面積
AC———冷凝板的面積，m2
W,B,C———分別表示真空規(guī)、屏蔽板、冷凝板
當(dāng)?shù)蜏乩淠宓臏囟萒C 為低于12 K 時(shí)公式（2）可以簡(jiǎn)化為：
屏蔽板的流導(dǎo)概率UB 是由其幾何形狀決定的，所以根據(jù)我們?cè)O(shè)計(jì)的夾角為90°，可以查真空手冊(cè)知道此時(shí)的流導(dǎo)概率UB為0.48；由氣體分子運(yùn)動(dòng)論中不難知道，氣體分子熱運(yùn)動(dòng)平均速度約為500m/s; 屏蔽板的面積A約為4.32m2；所以我們可以得到單個(gè)泵體的理論抽氣速率就為259m3/s，總的理論抽速則為518m3/s。對(duì)應(yīng)前面的氣量計(jì)算，是能夠滿足需要的。
2、熱負(fù)荷
低溫泵中冷凝板的熱負(fù)荷來源主要是三個(gè)方面：（1）氣體冷凝的熱負(fù)荷（2）周圍壁板的輻射熱負(fù)荷（3）支撐結(jié)構(gòu)傳入的熱量。由于中性束功率將達(dá)到幾個(gè)兆瓦，所以在脈沖運(yùn)行過程中盡管束線各個(gè)部件都有水冷卻系統(tǒng)但是仍然會(huì)達(dá)到很高的溫度。這些熱量又會(huì)輻射到低溫泵的77K低溫?fù)醢迳希罱K熱輻射的多少?zèng)Q定了總的熱負(fù)載。所以在中性束系統(tǒng)中對(duì)低溫泵而言輻射熱負(fù)荷是主要的。對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)可以分為以下三種：
第一種，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行；束線各個(gè)部件都被內(nèi)部的水管冷卻，所以可以認(rèn)為部件此時(shí)溫度就是冷卻水的溫度。此時(shí)中性化器不再放氣，這樣在這個(gè)低氣壓的真空室內(nèi)（10-3~10-4Pa）是分子流狀態(tài)的氣體熱傳導(dǎo)；
第二種，脈沖運(yùn)行；可以估計(jì)這情況下各部件的溫度將上升到甚至100℃，氣體負(fù)荷會(huì)首先被擋板冷卻，接下來全部負(fù)載到4.5K的低溫冷面上。在這里，仍然是分子流狀態(tài)的氣體熱傳導(dǎo)；
第三種，再生過程；要析出低溫冷面上吸附的氣體，必須將其加熱到大約100K的溫度。氣體析出后，這些已知的氣體熱負(fù)載會(huì)傳導(dǎo)到屏蔽層上，真空室內(nèi)壓力會(huì)增加，最后由前級(jí)抽氣系統(tǒng)除去。此時(shí)氣體主要處于粘滯流狀態(tài)；
按照HL-2M中性束系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)60kV，35A，3~5s以及該低溫泵的幾何設(shè)計(jì)尺寸，那么低溫泵的熱負(fù)荷情況大致如下：
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