低溫真空系統(tǒng)是NBI 綜合測(cè)試臺(tái)(NBITF)的一個(gè)重要子系統(tǒng)，它為與束的生成和傳輸過程相關(guān)的各類實(shí)驗(yàn)提供真空環(huán)境支持。在介紹NBITF 基本組成的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了其低溫真空系統(tǒng)的冷凝屏結(jié)構(gòu)與布局設(shè)計(jì)、氣源特性和熱負(fù)荷特性，并最終討論確定了低溫真空系統(tǒng)的冷量供給形式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該低溫真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能滿足NBITF 的設(shè)計(jì)使用要求，并驗(yàn)證了EAST-NBI 低溫真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。

　　中性束注入器(Neutral Beam Injector， 簡(jiǎn)稱NBI)是一套用于產(chǎn)生高能帶電粒子束并對(duì)其進(jìn)行中性化以形成高能中性粒子束、最終將高能中性粒子束注入到磁約束聚變裝置內(nèi)用以加熱等離子體、驅(qū)動(dòng)等離子體電流的裝置。中性束注入器由離子源、中性化室、偏轉(zhuǎn)磁體、漂移管道、電源系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、低溫真空系統(tǒng)等功能單元組成。為了在國家大科學(xué)工程項(xiàng)目EAST 超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置上開展高水平實(shí)驗(yàn)研究，等離子體物理研究所申請(qǐng)為EAST研制設(shè)計(jì)參數(shù)為40~70 A、50~80 keV、10~100 s 的NBI (簡(jiǎn)稱EAST-NBI) 并首獲國家發(fā)展與改革委員會(huì)的支持。EAST-NBI 屬基于正離子源的長脈沖、高功率NBI，在研制過程中有許多關(guān)鍵性物理與工程技術(shù)問題需要研究解決。在EAST-NBI 建成之后，針對(duì)其運(yùn)行中出現(xiàn)的問題和現(xiàn)象亦需進(jìn)行專項(xiàng)研究以解決問題并加深對(duì)現(xiàn)象背后的物理機(jī)制的理解。在NBI 研制之初首先建立測(cè)試臺(tái)開展針對(duì)性的物理與工程研究屬國際上的通行做法。同時(shí)，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)考慮到開展NBI 相關(guān)實(shí)驗(yàn)須考慮高電壓、高真空、輻射條件下的人員保護(hù)問題，在EAST 兩輪實(shí)驗(yàn)之間的檢修維護(hù)期不具備利用EAST-NBI裝置開展專項(xiàng)研究的條件， 為圓滿完成EAST-NBI 研制任務(wù)并為后續(xù)的NBI 相關(guān)研究提供硬件條件，于2010 年即開始了NBI 綜合測(cè)試臺(tái)(NBI test facility，簡(jiǎn)稱NBITF)的研制。低溫真空系統(tǒng)是NBITF 的一個(gè)重要子系統(tǒng)，它為與束的生成和傳輸過程相關(guān)的各類實(shí)驗(yàn)提供真空環(huán)境支持。

1、NBITF 的基本組成

　　NBITF 的組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。在總體上可認(rèn)為NBITF 各主要部件均按照EAST-NBI對(duì)應(yīng)部件原型樣機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)制造，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性并尋求改進(jìn)優(yōu)化的具體措施。為了充分發(fā)揮科研資金的價(jià)值、擴(kuò)展NBITF 的功能，計(jì)劃將來在主真空室后設(shè)計(jì)安裝專門的樣品測(cè)試室，以便為根據(jù)需要選擇利用離子束或中性束在樣品測(cè)試室內(nèi)開展高能粒子輻照損傷研究、高熱流條件下的換熱優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究、聚變裝置第一壁相關(guān)的熱力學(xué)測(cè)試研究、材料改性研究等提供硬件上的支持，NBITF 采用一臺(tái)離子源，可提供離子束4 MW、中性束2 MW、束斑120 mm×480 mm 的平行束用于科學(xué)研究，其能力與國外同類科研裝置相比無疑有非常大的優(yōu)勢(shì)。

圖1 NBI 綜合測(cè)試臺(tái)組成結(jié)構(gòu)示意圖

2、NBITF 的低溫真空系統(tǒng)

　　NBITF 的低溫真空系統(tǒng)由低溫泵組和為低溫泵組提供冷量的低溫系統(tǒng)兩部分組成，其功能主要包括：(1)維持NBITF 內(nèi)的真空環(huán)境以滿足各種測(cè)試實(shí)驗(yàn)對(duì)真空環(huán)境的要求；(2)驗(yàn)證即將建立的EAST-NBI 低溫真空系統(tǒng)的工程可行性。NBITF低溫真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于闡明低溫冷凝屏結(jié)構(gòu)及其布局的基礎(chǔ)上，確定其熱負(fù)荷特性并最終確定其冷量需求以完成低溫系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)，最終結(jié)合束引出實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證總體設(shè)計(jì)的合理性。

2.1、低溫冷凝屏結(jié)構(gòu)及其布局

　　為了實(shí)現(xiàn)NBITF 低溫真空系統(tǒng)的既定功能，低溫泵組及其在主真空室內(nèi)的布局采用與EAST-NBI 完全相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，低溫泵組以低溫冷凝抽氣屏的形式設(shè)計(jì)安裝在主真空室內(nèi)，稱為前低溫冷凝屏和后低溫冷凝屏。

　　為了安裝維護(hù)方便，將主真空室設(shè)計(jì)為通過法蘭連接的三段式結(jié)構(gòu)，前低溫冷凝屏設(shè)計(jì)為雙面抽氣的餅形結(jié)構(gòu)并通過懸掛的方式安裝在主真空室第三段內(nèi)，確保其在發(fā)揮抽氣功能的同時(shí)亦能起到氣體擋板的作用。為了向后端輸送束流以及安裝功率測(cè)量靶以便對(duì)束功率進(jìn)行截止測(cè)量，其中間部位設(shè)計(jì)預(yù)留了專門的束流通道和功率測(cè)量靶安裝空間。根據(jù)前低溫冷凝屏的設(shè)計(jì)，最終確定的前低溫冷凝屏及其在主真空室內(nèi)的安裝形式如圖2 所示。

　　前低溫冷凝屏單側(cè)抽氣面積為3 m2，抽氣面工作過程中吸收的熱量依靠冷凝板上焊接的冷卻管內(nèi)的液氦的汽化潛熱提供，冷凝板兩側(cè)設(shè)置了120°人字形防輻射擋板，其吸收的熱負(fù)荷通過其上焊接的冷卻管內(nèi)的液氮的汽化潛熱提供。后低溫冷凝屏采用30 組基于相同原理結(jié)構(gòu)的基本單元焊接裝配而成，整體成圓環(huán)形，以同軸的方式懸掛安裝于圓形主真空室第一段內(nèi)。在圓環(huán)形后低溫冷凝屏的內(nèi)部空間中設(shè)計(jì)安裝了中性化室、離子吞食器和氣體擋板。氣體擋板將后低溫冷凝屏在軸向按3∶1 的比例分為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的抽氣單元，氣體擋板上束通道處留有供束通過的孔。后低溫冷凝屏及其在主真空內(nèi)的安裝形式如圖3 所示，其冷量供給形式與前低溫冷凝屏完全相同。

圖2 安裝在主真空室內(nèi)的前低溫冷凝屏

圖3 安裝在主真空室內(nèi)的后低溫冷凝屏

2.2、低溫真空系統(tǒng)的氣源特性

　　氣源特性是確定低溫冷凝屏熱負(fù)荷提供依據(jù)之一。對(duì)于NBITF 低溫真空系統(tǒng)，其真空抽氣部分采用與EAST-NBI 完全相同的設(shè)計(jì)，目的在于檢驗(yàn)和預(yù)估EAST-NBI 低溫真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。但兩者在氣源特性上存在差異：(1)被抽氣體種類不同，NBITF 安裝在NBI 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，考慮到束引出時(shí)的人員安全問題，工作氣體確定為H2，而非EAST-NBI 常規(guī)實(shí)驗(yàn)時(shí)所采用的D2；(2)NBITF 僅設(shè)計(jì)安裝一臺(tái)離子源和相應(yīng)的束傳輸部件，這將導(dǎo)致其氣源分布與大小僅與這單臺(tái)離子源的束生成和傳輸過程相關(guān)。

　　NBITF 低溫真空系統(tǒng)的氣源分布示意圖如圖4所示，系統(tǒng)的氣體負(fù)載主要來自兩方面：由中性化室出口進(jìn)入主真空室的氣體和束流粒子與各束流限制器、離子吞食器、功率測(cè)量靶等處的壁面碰撞產(chǎn)生的氣體。

圖4 NBITF 低溫真空系統(tǒng)的氣源分布示意圖

　　圖4 所示的各符號(hào)的意義及各氣源氣量大小的分析計(jì)算方法可參見文獻(xiàn)。對(duì)NBITF 低溫真空系統(tǒng)而言，雖然氣源特性受實(shí)驗(yàn)過程的影響，但在假定束流粒子與壁面碰撞后將產(chǎn)生與其粒子數(shù)相當(dāng)?shù)臍怏w的前提下，其總氣體負(fù)載的大小可認(rèn)為等于系統(tǒng)的總進(jìn)氣量Q。Q 的大小取決于：離子源的氣體利用效率ηg；離子源引出的離子束中H+1 、H+2、H+3 的成分比ε1：ε2：ε3；離子源引出束流I；中性化室達(dá)到最佳靶厚所需要的補(bǔ)充充氣量QNeu。假定ηg=0.5，ε1：ε2：ε3 為0.8、0.14、0.06，I=70 A，QNeu=1.33 Pa·m3/s，則可算得Q=3.56 Pa·m3/s。

2.3、低溫真空系統(tǒng)的熱負(fù)荷特性

　　低溫真空系統(tǒng)的總熱負(fù)荷主要包括前后兩組低溫冷凝屏的熱負(fù)荷以及為兩組低溫冷凝屏輸送冷量的傳輸管線的熱負(fù)荷兩部分。低溫冷凝屏有冷凝板所屬的氦側(cè)和防輻射擋板所屬的氮側(cè)兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的冷卻回路，故每一部分的熱負(fù)荷又可分為氦側(cè)熱負(fù)荷和氮側(cè)熱負(fù)荷。低溫冷凝屏的氮側(cè)熱負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的冷量設(shè)計(jì)為由來自液氮貯槽的液氮提供，在此不做分析，僅重點(diǎn)討論氦側(cè)熱負(fù)荷及其大小，以便為氦側(cè)冷量供給方式的選擇提供依據(jù)。

　　冷凝板所屬的氦側(cè)熱負(fù)荷受NBITF 工作狀態(tài)的影響，當(dāng)NBITF 處于實(shí)驗(yàn)狀態(tài)(包括離子源起弧和束引出)時(shí)，冷凝板將承受Q=3.56 Pa·m3/s的氣體冷卻、冷凝載熱，當(dāng)NBITF 處于實(shí)驗(yàn)等待狀態(tài)則不需要考慮這部分氣體冷卻、冷凝載熱。單位氣體量的H2 在冷凝板上的冷卻、冷凝載熱按qc=4.4 J/Pa·m3 考慮，則當(dāng)NBITF 處于實(shí)驗(yàn)狀態(tài)時(shí)冷凝板將承受的熱負(fù)荷QH2=15.66 W。

　　假定與冷凝板相對(duì)的防輻射擋板經(jīng)發(fā)黑處理后發(fā)射率σ=0.9、溫度T1=90 K，冷凝板溫度T2=4.5 K、其發(fā)射率受加工工藝與雜質(zhì)氣體冷凝沉積的影響取為σ2=0.5。則對(duì)冷凝板面積A1=6 m2 的前低溫冷凝屏，其受到來自防輻射擋板的輻射熱Qr1=10.58W；對(duì)冷凝板面積A2=8 m2 的后低溫冷凝屏，其受到來自防輻射擋板的輻射熱Qr2=14.88 W。由于經(jīng)過發(fā)黑處理的防輻射擋板具光學(xué)密閉特性，經(jīng)防輻射擋板透射到低溫冷凝板上的熱負(fù)荷忽略不計(jì)。

　　前低溫冷凝屏的冷凝板由10 個(gè)304 不銹鋼吊掛件吊掛于防輻射擋板上，吊掛件為夾板式結(jié)構(gòu)，其截面積A=30 mm2、單側(cè)長度L=250 mm，取T1=90 K、T2=4.5 K，則由吊掛件帶給前低溫冷凝屏冷凝板的總熱負(fù)荷Qc1=1.01 W。后低溫冷凝屏由直徑為0.8 mm 的鋼絲懸掛在防輻射擋板上，其導(dǎo)熱可忽略不計(jì)，

　　NBITF 前后兩低溫冷凝屏間擬采取串聯(lián)連接的方式與冷量輸送管道相連接，根據(jù)其在NBI 實(shí)驗(yàn)室的總體規(guī)劃，氦輸液回氣管的總長度按20 m考慮。因NBITF 需要的維護(hù)工作量比較大，為維護(hù)方便考慮，氦輸液回氣管采用多層絕熱的單根插拔式設(shè)計(jì)，其漏熱按0.1 W/m 考慮，則氦輸液回氣管總漏熱QTL=2 W。

　　根據(jù)以上分析，可確定NBITF 低溫真空系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)狀態(tài)時(shí)的氦側(cè)熱負(fù)荷QHe=44.13 W，實(shí)驗(yàn)等待狀態(tài)時(shí)的氦側(cè)熱負(fù)荷QHe=28.47 W。

2.4、低溫真空系統(tǒng)的冷量供給

　　在NBITF 低溫真空系統(tǒng)冷量供給方式的選擇上需考慮的因素有：(1) 在NBITF 上開展的各種與束生成和傳輸相關(guān)的實(shí)驗(yàn)均需要低溫真空系統(tǒng)的支持，低溫真空系統(tǒng)的穩(wěn)定工作對(duì)實(shí)驗(yàn)的正常開展有非常重要的意義；(2) 在NBITF 上開展與束生成和傳輸相關(guān)的實(shí)驗(yàn)時(shí)，考慮到高電壓、束引出條件下的人身安全問題，須采用遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)測(cè)控方式；(3) 在NBITF 上連續(xù)開展實(shí)驗(yàn)工作的量大、時(shí)間長，其低溫真空系統(tǒng)的冷量供給方式在經(jīng)濟(jì)性上應(yīng)具有比較優(yōu)勢(shì)。

　　低溫冷凝屏防輻射擋板冷卻及維持溫度于設(shè)定值所需的液氮采用專門的、容積為10 m3 的液氮貯槽提供，實(shí)驗(yàn)期間根據(jù)需要從市場(chǎng)上采購液氮予以補(bǔ)充。低溫屏冷凝板冷卻及維持溫度于設(shè)定值所需的液氦有兩種可選方式：根據(jù)實(shí)驗(yàn)安排臨時(shí)外購；購買氦制冷機(jī)組建氦氣液化、供冷、回收再液化子系統(tǒng)。由于低溫冷凝抽氫過程對(duì)溫度的敏感性很高且低溫溫度測(cè)量有時(shí)滯性，為了獲得穩(wěn)定的低溫真空特性、避免非預(yù)期的再生，最佳方式是按照不小于實(shí)驗(yàn)狀態(tài)時(shí)的氦側(cè)熱負(fù)荷向冷凝板提供冷量。NBITF 每年的累計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)間預(yù)計(jì)不少于100 天，假定需要的液氦僅需支付50 元/ 升的液化費(fèi)用，則每年需要花費(fèi)不少于760 萬的液化費(fèi)。根據(jù)QHe 值的大小并考慮1.5 倍的安全因子以及后期樣品測(cè)試室安裝低溫冷凝屏的冷量需求，經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研最終選定經(jīng)適當(dāng)改造的瑞士LINDE 公司LR70 氦制冷機(jī)組建專門的氦氣液化、供冷、回收再液化子系統(tǒng)。該制冷機(jī)在無液氮預(yù)冷模式下確保具備100 W×4.5 K 的供冷能力，可完全滿足NBITF 的用冷需求。NBITF 低溫真空系統(tǒng)流程圖如圖5 所示。

圖5 NBITF 低溫真空系統(tǒng)流程圖

　　在實(shí)驗(yàn)期間，通過制冷機(jī)連接NBITF 的冷量輸出口控制閥可方便實(shí)現(xiàn)對(duì)低溫真空系統(tǒng)的降溫、維持冷凝面溫度穩(wěn)定、回溫再生等過程控制，多余的冷量將以液氦的形式暫時(shí)儲(chǔ)存在液氦杜瓦內(nèi)，必要時(shí)可通過點(diǎn)加熱絲進(jìn)行液面控制，也可通過氣體管理模塊降低壓縮機(jī)排氣口的壓力來調(diào)整制冷機(jī)的冷量輸出能力以匹配NBITF 的氦側(cè)冷量需求。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

　　在完成NBITF 低溫真空系統(tǒng)兩低溫冷凝屏的研制及氦制冷機(jī)的采購安裝后，對(duì)低溫冷凝屏進(jìn)行了常溫和液氮溫度下的漏率測(cè)試，對(duì)制冷機(jī)進(jìn)行了制冷能力測(cè)試。氦制冷機(jī)在無液氮預(yù)冷條件下的制冷能力為126W×4.5 K，在輔助抽氣機(jī)組分子泵排氣口用氦質(zhì)譜檢漏儀檢漏并證實(shí)無可檢出漏點(diǎn)后，連接氦制冷機(jī)與低溫冷凝屏進(jìn)行了抽速測(cè)試并配合離子源進(jìn)行了起弧和束引出實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)對(duì)氫總抽速大于1.4×106 L/s，能很好滿足NBITF 實(shí)驗(yàn)需求，并能方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)低溫真空系統(tǒng)降溫、冷凝面溫度調(diào)節(jié)、回溫再生等過程的遠(yuǎn)程控制，該設(shè)計(jì)應(yīng)能推廣應(yīng)用于同類型的EAST-NBI 項(xiàng)目。