為了研究適用于托卡馬克氦質(zhì)譜檢漏的選擇性抽氫技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套氘氦分離裝置進(jìn)行氦氣和氘氣的低溫冷凝效應(yīng)研究。本文介紹了裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺對裝置的真空性能進(jìn)行測試，并初步探索了有效冷凝氘氣的工作溫度、抽氣容量以及4He /D2混合氣體對冷凝效應(yīng)的相互影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，裝置有效冷凝氘氣的工作溫度范圍為6 ～ 12 K，抽氘氣容量約為10 ^{- 3} Pa·m³ ; 并且6 K 時(shí)4He /D2混合氣體中微流量的氦氣不會被氘氣裹挾吸附。氘氦分離裝置符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

　　核聚變裝置以氫同位素作為實(shí)驗(yàn)氣體，氦質(zhì)譜檢漏法采用氦氣作為示蹤氣體，由于氦原子( 4.0026 amu) 與氘分子( 4. 0282 amu) 的質(zhì)量數(shù)十分相近，使用氦質(zhì)譜檢漏儀進(jìn)行真空檢漏時(shí)將受到真空室壁釋放出的氫同位素的嚴(yán)重干擾。為此，需采用選擇性抽氣泵來抽除氫同位素，抑制氘本底以提高氦質(zhì)譜檢漏系統(tǒng)的靈敏度。國外對一些能用于氦檢漏儀的氫選擇抽氣新技術(shù)進(jìn)行了研究，包括超級滲透金屬薄膜，非蒸散吸氣劑泵和約10 K 裸低溫屏等。其中，10 K 低溫泵具有易維護(hù)的特點(diǎn)，被國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER) 檢漏技術(shù)采用。

　　低溫泵是利用低溫表面將被抽空間的氣體冷凝、吸附、捕集等來達(dá)到抽氣目的。目前，商用低溫泵多采用吸附劑來實(shí)現(xiàn)對不可凝氣體( He、H2、Ne)的抽除，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為這種泵對氦氣也有一定抽速，不能實(shí)現(xiàn)氘氣和氦氣的分離。為了研究低溫泵的選擇性抽氫性能，研制一套不帶吸附劑的低溫冷凝裝置———氘氦分離裝置，開展氦氣和氘氣的冷凝實(shí)驗(yàn)研究，這對托卡馬克裝置真空檢漏有著重要的意義。

1、氘氦分離裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　用低溫介質(zhì)將表面冷卻，低溫表面就能大量冷凝沸點(diǎn)溫度比其溫度高的氣體。由于各種氣體沸點(diǎn)溫度不同，調(diào)節(jié)低溫表面的溫度可以實(shí)現(xiàn)不同氣體的抽除。氘氦分離裝置采用了制冷機(jī)低溫泵的設(shè)計(jì)方案，制冷機(jī)低溫泵結(jié)構(gòu)具有小型、自動(dòng)化、抽速大等特點(diǎn)。裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由殼體、低溫冷凝板、輻射屏蔽板、制冷機(jī)和溫控儀組成。制冷機(jī)冷頭、低溫冷凝板和輻射屏蔽板封裝在殼體內(nèi)。制冷機(jī)是兩級制冷，低溫冷凝板與制冷機(jī)的二級冷頭相連，作為主要抽氣部件; 輻射屏、障板與一級冷頭相連，避免冷凝板受到外界的直接熱輻射。

圖1 氘氦分離裝置示意圖

　　殼體采用通徑為Φ150 的雙開口T 字型通道結(jié)構(gòu)，制冷機(jī)冷頭垂直安裝，水平方向?yàn)檫M(jìn)、出氣口，與其他管道或真空系統(tǒng)串聯(lián)。冷凝板通過位于T 型水平中平面的傳熱板與冷頭連接，由5 片平行的直徑為Φ120 的鍍亮鎳無氧銅板組成，并列安裝在傳熱板上。采用多片冷凝板可以增加冷凝面積從而提高冷凝效率。單片冷凝板結(jié)構(gòu)如圖2 所示，銅板中間開口與傳熱板連接，板上開若干通氣孔使未被冷凝的氣體通過，孔直徑Φ3，兩兩間隔10 mm; 每兩片板的通氣孔錯(cuò)位排列，形成非直線型流導(dǎo)結(jié)構(gòu)。由于冷凝板布局復(fù)雜，需要通過模擬來獲得其流導(dǎo)幾率，本文中不作討論。冷凝板用輻射屏包圍起來，阻擋外來的熱輻射。在進(jìn)氣口端加上障板，主要用來冷凝水蒸汽、有機(jī)物等的氣體分子，并對未凝氣體進(jìn)行預(yù)冷，降低低溫負(fù)荷。障板的選擇基于對傳輸幾率和透射系數(shù)，氣體負(fù)荷和熱負(fù)荷的流向的綜合考慮，這里選擇傳輸幾率為0. 41 的百葉窗結(jié)構(gòu)。

　　在第一片冷凝板邊緣安裝溫度傳感器和加熱組件，由溫控儀對冷凝板溫度進(jìn)行采集和控制。溫度傳感器精度為0.1 K，最近和最遠(yuǎn)端的冷凝板溫度差小于1 K。加熱組件向冷凝板提供一個(gè)熱負(fù)載，溫控儀根據(jù)設(shè)定溫度值自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率的大小，維持冷凝板溫度穩(wěn)定。

圖2 單片冷凝板結(jié)構(gòu)示意圖

　　氣體從進(jìn)氣口端進(jìn)入氘氦分離裝置，依次經(jīng)過低溫障板、冷凝板，從出氣口端流出，整個(gè)過程中經(jīng)由低溫冷凝作用實(shí)現(xiàn)抽氣。裝置對氘氣的抽速由式(1) 確定。

　　式中T 為被抽氣體的溫度，M 為氣體的摩爾質(zhì)量，W為百葉窗障板的流導(dǎo)幾率，A 為冷凝板面積，α 為低溫泵的凝結(jié)系數(shù)，γ 為低溫泵的再蒸發(fā)幾率。

2、結(jié)論

　　利用低溫冷凝原理設(shè)計(jì)一套氘氦分離裝置開展選擇性抽氫技術(shù)研究。氘氦分離裝置為制冷機(jī)低溫泵結(jié)構(gòu)，采用多片錯(cuò)孔的冷凝板形式以增加對氘氣的冷凝面積并使得未被冷凝的氦氣可以通過。設(shè)計(jì)溫控組件調(diào)節(jié)冷凝板溫度在要求的溫度范圍。以氘氦分離裝置為主體搭建氘氣、氦氣分離實(shí)驗(yàn)研究平臺，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)本底真空度1 × 10 ^-5 Pa，啟動(dòng)氘氦分離裝置后真空度為8.7 × 10 ^-7 Pa。其有效冷凝氘氣的工作溫度范圍為6 ～ 12 K，抽氣容量為10 ^-3 Pa·m³。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示6 K 微流量氦氣不會被裹挾吸附。氘氦分離裝置實(shí)現(xiàn)了選擇性抽氣，符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，為進(jìn)一步開展氦氣、氘氣的分離研究，提高托卡馬克裝置檢漏系統(tǒng)靈敏度研究等提供了基本條件。