（流体机械及工程专业论文）中性束注入系统低温抽气系统的工程设计及压力分布研究.pdf

中性束注入系统低温抽气系统工程设计及压力分布研究 摘要 中性束注入( n e u t r a lb e a mi n j e c t i o n ) 加热技术能够显著提高核聚变装置中的 等离子体参数，被国际聚变界公认为是最有效的加热手段之一，在一些大型聚变装置， 诸如p l t 、t f t r 、j e t 、n s t x 上都有成功的应用，国际聚变工程试验堆i t e r 上也将采 用此种加热方式。n b i 低温抽气系统的性能及其内部的压力分布特性是影响n b i 系统 稳定实验运行的关键因素。 文章基于n b i 系统的工作原理和结构特点，根据h t 一7 装置n b i 系统稳态 实验运行对真空抽气系统的技术要求，分析n b i 系统内各部分的气源和压力分 布特性，构建了以低温冷凝泵为主泵的n b i 差分式低温抽气系统和以分子泵为 主泵的辅助抽气系统。建立了主真空室三维立体模型，运用a n s y s 软件对模 型进行了相关力学分析，结果证明，主真空室满足n b i 系统实际工况下的强度 要求。经n b i 系统试运行实验，对低温抽气系统抽速( 对h 2 ) 、极限真空、抽 气容量( 对h 2 ) 、低温抽气面温度、降温时间以及残余气体成分等进行了测量， 获取了低温抽气系统各项性能参数的相关实验数据，运用o r i g i n 、m a t l a b 软件 分析了离子源、主真空室和漂移管道的压力分布。结果表明，所设计的n b i 低 温抽气系统降温、回温过程均匀平稳，降温时间短，极限真空度高，动态真空 稳定，满足h t - 7 中性束注入系统稳态实验运行对真空品质的要求。 关键词：中性束注入低温抽气压力分布真空系统设计计算力学分析 e n g e e r i n gd e s i g na n dp r e s s u r ed i s t r i b u t ea n a l y s i sf o rt h e c r y o p u m p i n gs y s t e mo fn e u t r a lb e a mi n j e c t i o ns y s t e m a b s t r a c t n e u t r a lb e a mh l j e c t i o n ( n b i ) h e a t i n gt e c h n o l o g yi sc o n s i d e r e da so n eo ft h em o s t e f f e c t i v em e t h o df o rf u s i o np l a s m ah e a t i n gb yt h ei n t e r n a t i o n a lf u s i o nc o m m u n i t y , f o r w h i c hc a l l s i g n i f i c a n t l yu p g r a d et h ep l a s m ap a r a m e t e r si n s i d e f u s i o nd e v i c e s o m e l a r g e - s c a l ef u s i o nd e v i c e s u c ha sp l t 、t f t r 、j e t 、n s t x , h a v es u c c e s s f u l l ya p p l i e dn b i h e a t i n gt e c h n o l o g y 1 1 1 ei n t e m a t i o n a lf u s i o ne n g i n e e r i n gt e s tr e a c t o r ( i t z r la l s oh a sb e e n p l a n e dt ou s et h i st e c h n i q u e b o t ht h ee r y o p u m p i n gp e r f o r m a n c eo fn b ic r y o p u m p i n g s y s t e ma n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f p r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni n s i d en b is y s t e ma r et w ok e yf a c t o r s t h a ta f f e c tt h es t e a d ye x p e r i m e n to p e r a t i o no fn b is y s t e m n ea i mo ft h i st h e s i si st o a n a l y z et h ec h a r a e t e r i s t i co fp r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni n s i d et h en b is v s t e mo fh t - 7a n dt o d e s i g ni t sc r y o p u m p i n gs y s t e ma f t e rt a k i n gi n t oa c c o u n to ft h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n to f s t e a d ye x p e r i m e n to p e r a t i o no f t h en b i f o ri t sv a c l l r n lp u m p i n gs y s t e r n b a s e d0 1 1t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n ds t r u c t a r a lt r a i to fn b is y s t e m 。g a ss o u r c e c h a r a c t e r i s t i co fi t se a c hp a r t sw e r ea n a l y z e d ，o n es e to fv a e u u l ns y s t e mw a sd e s i g n e d , t h e v a c u u l ns y s t e mw a s m a d eu do fam a i nd i f f e r e n t i a lc r y o p t t m p i n gs y s t e mc o n s i s t so ft w o c r y o c o n d e n s a t i o np u m p s ，a n da l la u x i l i a r yp u m p i n gs y s t e mc o n s i s t so ft u r b o m o l e c u l a r p u m p sa n dm e c h a n i c a lp u m p s t h r e e - d i m e n s i o u a lm o d e lo fm a i nv a c u u mc h a m b e rw a s e s t a b l i s h e d a n dm e c h a n i c a la n a l y s i sw a sm a d eu s i n ga n s y ss o f t w a r e a n dt h er e s u l t s p r o v e dt h a tt h em a i nv a c u u mc h a m b e rc o u l dm e e tt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t so ft h e i n t e n s i t yc o n d i t i o n t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h ec r y o p u m p i n gs y s t e ms u c ha s p u m p i n gs p e e d ( f o r8 2 ) ，u l t r av a c u 吼，g a st h r o u g h p 毗c r y o p a n e lt e m p e r a t u r e ，c o o l d o w l l t i m ea n dr e s i d u a lg a ss p e c i e sw e r em e a s u r e dt og e tt h e i rt e c h n i c a ld a t et h r o u g ht h et e s tr u n e x p e r i m e n to ft h en b is y s t e m 日1 ep m s s l l r ed i s t r i b u t i o n si n s i d ei o ns o u r c e m a i nv a c b u m c h a m b e ra n dd r i f tt u b ew e r ea n a l y z e dt h r o u g hu t i l i z i n go r i g i na n dm a t l a bs o f t w a r e t h e r e s u l t sr g v e a lt h a tt h ed e s i g n e dc r y o p u m p i n gs y s t e mi so fe x c e l l e n tp e r f o i t l l a n c e s u c ha s c o o l d o w na n dw a n n - u pp r o c e s si su n i f o i i t ia n ds t e a d y , s h o r tc o o l d o w nt i m e h i g hu l t r a v a c u u ma n ds t a b l ed y n a m i cv a c u u n l t h er e s u l t sm a yi n d i c a t et h a tt h ed e s i g n e ds y s t e mc a n m e e tt h er e q u i r e m e n t so fs t e a d ye x p e r i m e n to p e r a t i o no f h t - 7n b if o rv a c u u mq u a l i t y k e yw o r d s ：n e u t r a lb e a mi n j e c t i o n , c r y o p u m p i n g ，p r e s s u r ed i s t r i b u t e ，v a c u u md e s i g na n d c a l c u l a t i o n ，m e c h a n i c a la n a l y s i s 插图清单 图2 1 中性束注入装置结构示意图4 图2 2 双潘宁型离子源示意图4 图2 3 离子源与中性化室连接示意图5 图2 4 中性化室与主真空室连接示意图6 图2 5 中性束注入器真空系统示意图7 图3 1 中性束注入系统压力分布简化模型1 0 图3 2 快氢离子和原子在氢气靶中的碰撞截面1 3 图3 3 漂移管道段流导计算模型1 5 图3 4 气体运动连续性方程模型1 6 图3 。5 离子源一中性化室压力分布示意图1 7 图3 6 离子源结构示意图1 7 图3 7 不同气体负载下灯丝区压力变化曲线1 9 图3 8 不同气体负载下1 号阳极区压力变化曲线2 0 图3 9 不同气体负载下中性化室压力变化曲线2 1 图3 1 0 沿束流方向中性化室压力变化曲线2 2 图3 1 l 不同气体负载下主真空室压力变化曲线2 3 图3 1 2 不同气体负载下漂移管道段压力变化曲线2 4 图4 1 低温冷凝示意图2 6 图4 2 低温吸附示意图2 6 图4 3 低温捕集示意图2 7 图4 4p d x 装置中性束注入系统透视图2 8 图4 5n b i 差分式低温抽气系统示意图一2 9 图4 6 带法兰的盒式壳体真空室3 2 图4 7 主真空室加强筋截面3 4 图4 8 开孔处接管焊接3 7 图4 9 前侧面模型3 7 图4 1 0 外力载荷作用下前侧面变形图3 8 图4 1 l 外力载荷作用下前侧面受力云图4 l 图4 1 2 外力载荷作用下上盖板变形位移图4 2 图4 1 3 外力载荷作用下上盖板y o nm i s e s 应力分布图4 3 图5 1 低温抽气系统示意图4 4 图5 2 充气系统示意图4 4 图5 3 低温抽气系统投入前残余气体质谱分析4 6 图5 4 低温抽气系统稳态运行时的残气质谱分析4 f i 图5 。5 液氮系统温度测点分布示意图4 7 图5 6l n 2 降温阶段各测点温度变化曲线4 7 图5 7l n 2 降温阶段系统压力变化曲线o 000 ”gg 4 8 图5 8l h e 降温阶段各测点温度变化曲线4 9 图5 9l h e 降温阶段系统压力变化曲线4 9 图5 1 0 自然回温过程系统压力变化曲线5 0 图5 1 1 脉冲进气时系统压力变化曲线5 1 附表清单 表4 i 主真空室各部位最大v o n m i s e s 应力和位移量结果4 3 表5 - 1 低温抽气系统抽速测试实验测量数据5 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金目b 些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期卿年么穆日 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月曼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金8 b 王些盔堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期g 鸭| g b 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名。陬 签字日期： 电话： 邮编： 占月，暑日 致谢 本文是在我的导师陈长琦教授和中国科学院等离子体物理研究所胡纯栋研究员 的悉心指导下完成的。两位老师高尚的人格魅力、严谨的治学态度、踏实的科研精神 以及渊博的学识、敏锐的洞察力、诲人不倦的教育情怀使我在做人和做学问方 面都有了很大的进步，也将在以后的工作和生活中令我受益终身。在此，谨向 两位指导老师致以最衷心的感谢! 本课题的实验研究是在中科院等离子体物理研究所中性柬注入组完成的， 感谢课题组对我的资助和照顾，同时衷心感谢王绍虎老师、毛剑珊老师、刘智 民老师、刘胜老师、蒋家广老师、韩玉琴老师、吴明君老师、李军老师、谢远 来博士、朱银锋博士等各位老师和同学给我学习上的耐心指导和生活上的悉心 帮助，使我在学业上取得进步的同时，对生活也多了份感悟l 在课题的研究过程中还得到了合肥工业大学朱武老师、胡焕林老师、干蜀 毅老师、王旭迪老师、程建萍老师、朱仁胜老师，王君老师、唐志国老师以及 实验室王云芳老师、樊文胜老师等各位老师的关心与帮助，在此一并致以最诚 挚的谢意! 同时感谢同届研究生高庞、陈明、徐厚昌、刘珍、许海、谢俊以及师弟王 绍良、师妹于玲等各位同学所给予的无私帮助! 感谢我的父母、哥哥和姐姐一直以来为我所付出的艰辛劳动和所给予的极 大支持。特别感谢我的女友俞成娇女士多年来对我的支持和帮助，让我充满了 勇气，让我的生活充满了快乐! 最后，作者再次向多年来在我的成长和学习生涯中给予我帮助和关心的所有 老师、同学、亲人、朋友们表示深深的感谢! 谨以此文献给他们! 作者：王保华 2 0 0 7 年6 月 第一章绪论 1 1 核聚变及其发展情况 随着科学技术的发展，人类对能源的利用日益增加，世界面临着能源枯竭， 能源问题成为2 1 世纪制约社会发展的三大问题之一。为了解决能源问题，科学 家不断地探索新的能源形式。1 9 1 9 年，科学家阿斯顿( f w a s t o n ) 【l 】发现核聚 变反应可以释放出能量。几乎在同一时期，卢瑟福也证明了轻的元素以足够的 能量相互碰撞有可能产生核反应。在这些思想的启发下，天体物理学家便提出 设想，太阳这样的恒星其能量来源就是某种原子核的聚变反应，并进一步预言 这种核反应可以用来造福于人类。英国天体物理学家爱丁顿( e d d i n g t o n ) 于 1 9 2 0 年的一次报告中作了大胆预言【2 1 ，他说：“人类将会设法把核能释放出来 为人类造福。”1 9 2 9 年，阿特金森( a r k i n g s o n ) 和奥特迈斯( h o u t e r m a n s ) 3 1 从理 论上计算了氢原子在几千万度高温下聚变成氦的可能性，并认为太阳上进行的 可能就是这种核聚变反应。1 9 3 4 年，奥立芬特( o l i p h a n t ) 发现了第一个d d 核 聚变反应1 4 】。1 9 4 2 年，施莱伯( s c h r e i b e r ) 和金( k i n g ) 在美国普渡大学第一次 实现了d t 核聚变反应【5j 。 核聚变研究经历了相当曲折的历程，大体可以划分为四个阶段【6 】。第一阶 段，从开始到5 0 年代初，发明了各种类型的聚变装置，例如仿星器，箍缩装置 ( 直线的和环形的以及磁镜装置等) 。第二阶段，主要是5 0 年代中期，由于对困 难估计不足，认为在短期内便有可能建成核聚变反应堆，并认识到具有潜在的 军事用途，因此各国都在极其保密的情况下激烈竞争。第三阶段，从1 9 5 8 年到 1 9 6 8 年，认识到要实现受控核聚变困难很大，岿须开展国际问的交流和合作， 因此开始解密，并将重点转移到对高温等离子体基本性质的研究。第四阶段， 从1 9 6 9 年起到现在，在世界范围内继续进行多途径探索的同时出现了托卡马克 的研究热潮，并不断取得了十分令人鼓舞的进展。 1 2 中性束注入的必要性及发展情况 核聚变研究的重要任务之一就是设法把等离子体加热到l o k e v 以上，这是 实现聚变点火必不可少的基本条件之一。因此，如何将等离子体加热到反应温度 是实现受控聚变为目标的聚变等离子体物理学研究必须解决的主要问题之一1 7 j 。对于 等离子体加热，初期托卡马克采用欧姆加热，由于随着温度升高，等离子体电阻率降 低，欧姆加热的效率也随之降低，仅用这种加热方式不能使等离子体达到反应堆温度， 必须寻求其它加热方式。中性束注入加热被国际聚变界公认为是最有效的加热手段之 一。它利用注入的高能中性粒子束在等离子体中的电离、热化，最终把能量转化成等 离子体的内能，从而提高等离子体温度。这种方法技术上成熟、物理上清楚，在一些 大型聚变装置，诸如p l t 、t f t r 、j e t 、n s t x 上都有成功的应用1 8 - m l ，实践表明， 中性束注入加热系统能够显著提高核聚变装置中的等离子体参数( 温度、约束、b 值 等) i i , 1 2 】，国际聚变工程试验堆i t e r 上也将采用中性束注入加热方式1 3 】。中性束注 入加热是适于我国在现有条件下开展研究的前沿课题，已经被列入国家中长期科学 与技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 ) ) 。中科院等离子体物理研究所于2 0 0 2 年9 月正式 通过立项，开始了中性束注入器( n b d 的研制工作。本课题所研究的内容即选自该课 题。 1 3 课题的来源和目的 本课题来源于中国科学院等离子体物理研究所，作为大型中性柬注入 ( n b i ) 系统研制的一个子课题而提出的。旨在研究中性束注入系统各部 分真空压力分布，并为其设计一套低温抽气系统。 1 4 课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容有： 分析研究n b i 系统真空抽气系统特性及结构特点； n b i 系统各部分压力分布研究； 低温抽气系统的工程设计； 最后通过n b i 系统试运行实验，对低温抽气系统主要性能参数进行测量，获取 低温抽气系统各项性能参数的相关实验数据，运用o r i g i n 、m a t l a b 软件分析了离子 源、坦克和漂移管道段压力分布，并运用蒙特卡洛方法对中性化室压力分布进行模拟。 本课题拟解决的问题包括： n b i 系统各部分气源及压力分布特性； 低温抽气系统真空设计计算： n b i 系统装置主真空室的结构设计和力学分析； 低温抽气系统主要性能参数的测试； 1 5 课题的意义 中性束注入加热是国际聚变界公认为最有效的加热手段之一，也是适 于我国在现有条件下开展研究的前沿课题。中性束注入加热技术的研究与 发展对真空系统提出了新要求，中性束注入系统要求有高而洁净的极限真 空，稳定的动态真空，且系统各部分存在真空梯度分布，以低温冷凝泵为 主泵的低温抽气系统以其自身的优点成为满足此要求的最佳真空抽气系 统。未来的i t e r 就采用该类型真空抽气系统。低温抽气系统不仅适合于 中性束注入，也可以应用予准稳态磁约束聚变研究的其它抽气系统。 2 第二章中性束注入( n b i ) 系统 大功率中性束在核聚变研究中的主要用途有【1 4 】：在环形托卡马克装置中加热等离 子体，或用来维持等离子体电流；在稳态磁镜装置中积累等离子体；向聚变堆补充燃 料；还可以用于氦中性柬作等离子体诊断等。 对等离子体进行辅助加热的方式中，目前普遍认为有效的是中性束注入加 热技术。大量实验证明，中性束加热不会引起新的等离子体不稳定性，在技术 上比较成熟。据报道，利用中性束注入技术已使具有点火装置规模的等离子体 温度加热至6 5k e vl j ，t ”j 。 2 1 中性束注入系统的原理和结构 2 1 1 中性束注入系统原理 由强流离子源利用大电流气体放电产生初始等离子体，温度一般只有几个 e v ，经多孔或多缝结构的引出电极引出，通过加速电极加速，成为能量达 2 0 2 0 0 k e v 的高能离子柬。加速后的高能离子束在中性化室与同源气体分子相 互作用实现中性化，部分离子束转化为中性粒子束。中性粒子束经漂移管道注 入托卡马克装置等离子体中。中性粒子在等离子体中通过电荷交换和碰撞电离 变成离子并被磁场捕获，经过同托卡马克等离子体发生库仑碰撞，将能量传递 给托卡马克等离子体，达到加热托卡马克等离子体的目的。从中性化室出来的 高能粒子束中除中性粒子外，还有部分未被中性化的高能离子以及由于粒子间 相互碰撞形成的再电离效应产生的高能离子，这部分离子在经过坦克偏转磁场 时，在磁场力的作用下发生偏转，脱离中性粒子束，最后打到离子吸收器的铜 板上，为离子吸收器所吸收。 2 1 2 中性束注入系统结构 中性束注入系统是用来产生高能带电粒子柬并进行中性化的装置。虽然不同的聚 变装置上使用的n b i 在具体的结构上存在着差异，但都遵循一个共同的原理并包含一 些典型的设备。图2 1 为中性束注入系统结构示意图，由离子源、中性化室、主真空 室、偏转磁铁、漂移管道、离子吸收器、低温抽气系统、辅助抽气系统等部分组成。 图2 i中性柬注入系统结构示意图 f i g2 1 t h es c h e m a t i co fn b is y s t e m 2 。2h 卜7 中性束注入系统组成 h t 一7 中性注入器系统的主要组成部分包括；离子源及其电源系统、中性化室、主 真空室、漂移管道、偏转磁铁、离子吸收器、束功率测量系统和低温抽气系统等。下 面简要介绍一下它们的技术参数。 2 2 1 离子源 离子源主要由两部分组成：一是产生稳定而均匀的大体积高密度等离子体的放电 室；二是大面积多孔( 或多缝) 引出系统，其引出面积的线度为几十厘米，因此这类源 被称为强流离子源，又称大面积离子源。 磁 嚣阳极 图2 2 双潘宁型离子源示意图 f i g2 2t h es c h e m a t i co f d u o p i g a t r o ni o ns o u i c e 4 极 本系统采用的离子源是2 2 c m 双潘宁型离子源，如图2 2 所示，正常工作时能够 产生5 0 k v 、6 0 a 、3 0 0 m s 的脉冲正离子束。离子源电源系统主要包括：灯丝电源，1 5 v 、 5 0 0 a 直流；弧流电源，1 2 0 v 、1 0 0 0 a 直流；加速极电源，5 0 k v 、6 0 a 直流：抑制极 电源，一5 k v 、8 a 直流；灯丝电压、弧流电压、抑制极电压均浮在加速极正高压上。 离子源的束引出系统采用了三栅极结构，每个栅极上有1 7 9 9 个m o 3 8 c m 的小孔，小 孔间的位置误差不超过士o 0 5 m m ，栅极板采用去离子水冷却。栅孔在设计上有着一定 的聚焦度，以减少引出束流的发散度。 双潘宁放电离子源的显著优点是功率效率高，质子比高，中性束的能量可以达到 1 5 0 k c v 以上，脉冲宽度可以提高到1 0 s ，输出束流强度可以提高到1 0 0 3 0 0 a ，柬的 半散角可以降到0 5 。1 。，气体效率高于5 0 。主要缺点是放电噪声水平较高i r n 。 离子源与中性化室通过法兰连接，连接示意图如图2 3 所示。 引出电极 中性化室 图2 3 离子源一中性化室连接示意图 f i 9 2 3t h ec o n n e c t i o ng r a p ho f i o n $ o l u c a ： 2 2 。2 中性化室 中性化室的主要用途是提供中性化气体电荷转换靶，把从离子源引出的高能 离子束中性化，成为高能中性粒子束。 对于一定参数的高能离子束，影响其中性化效率的两个重要因素是中性化气体靶 厚度和中性化室内的压力分布情况。对于氢正离子束而言，理论上讲，中性化室内的 压力越高，中性化效率就越大，但是过多的气体会增大已中性化了的高能粒子束在主 真空室和漂移管道内的再电离损失。综合这两点来考虑，中性化气体靶厚必须适当， 中性化室内的压力分布必须合理，一般要求维持中性化室内的压强在l o d p a 量级，并 沿柬流方向呈梯度分布。对于结构和尺寸一定的中性化室来说，中性化气体靶厚度和 中性化室内压力分布情况可以根据n b i 系统运行实验中束流参数的变化，通过中性化 室补充进气系统进行调节和改善。 本系统中性化室设计成长圆筒形结构，其尺寸为审o 2 5 m x 0 8 m 。为了能够对中 性化室的轴线位置进行调节，中性化室与主真空室之间的密封面采用了球形密封，如 图2 4 所示。调节的实现是由图2 4 中的调整部件1 和1 5 来完成的，其工作原理是： 通过步进电机的转动来带动丝杆的转动，丝杆带动径向杆的轴向移动，从而改变 中性化室轴线的方向，其中l 对应于调整中性化室x 方向位置，1 5 对应于y 放向位置。 中性化室轴线的调整角度和步进电机的转动量有关，而步进电机的转动量通过远程控 制来实现驯。 由于中性化室内的压力分布情况直接影响着高能离子束的中性化效率，为此设计 了一套中性化室补充进气系统，用来在n b i 系统实验运行中根据需要向中性化室充入 一定量的同源气体。充气系统采用压电晶体阀作为充气阀门，通过远程闭环反馈系统 控制压电阀门的开启量。 图2 4 中性化室与主真空室连接示意图 f i g2 4 t h ec o n n e c t i o ns c h e m a t i co f n e u t r a l i z e ra n dt a n k 2 2 3 真空抽气系统 由于沿束流传输方向n b i 系统不同部位真空度要求不同，为同时满足离子源、中 性化室、主真空室和漂移管道段的真空度，n b i 系统通常采用差分式结构，将漂移段 最大限度地与中性化段分开，根据各自所要求的真空度和气源特性，配置相应的真空 抽气系统，组成n b i 差分式真空抽气系统。这样既可满足束线对梯度压力的要求，又 可以提高整个真空抽气系统制造与运行的经济性。差分式结构的低温抽气系统已成为 大中型中性束注入系统的必然选择。 n b i 差分式真空抽气系统主要由以低温冷凝泵为主泵的n b i 主真空室低温抽气系 6 统、漂移管道差分低温抽气系统和以涡轮分子泵为主泵的主真空室辅助抽气系统、漂 移管道辅助抽气系统组成。图2 5 为n b i 系统差分式低温抽气系统示意图。 主真空室低温抽气系统要求能够获得1 0 1 旷p a 量级的极限真空，并能够维持 n b i 系统实验运行时系统内1 0 刁p a 量级的稳定动态真空。n b i 实验运行时，每一个脉 冲放电都带来一定量的氢或氢的同位素气体，主真空室压力上升到1 0 。3 p a 量级。对于 引出5 0 k v 、6 0 a 、3 0 0 m s 的脉冲正离子柬，每炮发电所带来的气体，分布在主真空室 的气体量约为2 2 p a m 3 s ( 见第三章主真空室气源分析) ，主真空室压力达到5 5 1 0 - 3 p a ，按照n b i 系统运行的要求，主真空室低温抽气系统需要在8 m i n 以内将主真空 室压力降至1 0 。一1 0 4 p a 量级。 根据n b i 系统对中性束漂移段的要求，漂移管道低温抽气系统需要提供 1 0 4 1 0 6 p a 量级的极限真空，并能够维持n b i 系统实验运行时系统内5 x1 0 4 p a 的稳 定动态真空，以降低中性束注入时n b i 系统气源对托克马克装置真空室压力的影响。 辅助真空系统包括主真空室辅助抽气系统、漂移管道辅助抽气系统。作用是作 为低温抽气系统的前级抽气机组，能够为低温抽气系统提供1 0 d p a 的预抽真空环 境，并在低温抽气系统再生期间，抽除其所解吸的气体。根据n b i 系统主真空室 和漂移管道段真空室容积的不同，主真空室和漂移管道真空室分别配备了f - 2 5 0 1 4 0 0 型涡轮分子泵加2 f i - 7 0 a 型滑阀泵辅助抽气系统、f - 1 5 0 4 5 0 型涡轮分子泵 加2 x z - - 8 型直联旋片泵辅助抽气系统( 见第四章辅助抽气系统的设计) 。 2 l 图2 5 中性束注入器真空系统示意图 f i g 2 5s c h e m a t i co f t h ev a c u u ms y s t e mo f n e u t r a lb e a mi n j e c t o r 1 机械泵，2 真空阀门，3 涡轮分子泵，4 t a n k ，5 低温冷凝泵 2 2 4 偏转磁铁和离子吸收器 高能离子束通过中性化室后必然有一部分离子未被中性化，未被中性化的离子的 量取决于中性化效率的高低。偏转磁铁的作用是将这部分未被中性化的高能离子偏 转，使它们脱离己被中性化的高能中性粒子束。被偏转的高能离子通常由置于主真空 室底部的离子吸收器吸收，利用去离子水冷却系统其能量带走。在大型中性注入装置 中，这部分能量还可以被回收、再利用。 n b i 系统中离子吸收器由三块铜板组成，分别对应吸收e ，e 2 ，e 3 能量的高能 离子。设计离子吸收器的大小和放置位置取决于所吸收离子能量的高低和偏转磁铁磁 场强度的大小。离子吸收器设计的最大可承载能量密度为1 5 k w c m 2 。磁场强度大小 是可调的，设计为输入电流4 0 0 a 时，磁场强度0 1 5 t ，具体强度大小由n b i 实验运 行时，离子源产生的高能离子束能量的大小决定。 2 2 5 束流限制器 在主真空室与漂移管道连接处还安装有束流限制器，设计束流限制器的目的是 为了获得高能中性束良好的光学特性，同时将密度较小的束流外缘拦截。同时，束流 限制器还可以将圆截面中性束调节为非圆截面中性束，并能够通过改变束流截面，调 节注入中性束的能量大小。主真空室内离子源产生的粒子束线本身存在着一定的束散 度，再加上通过较长的中性化室管道之后，其粒子束的边缘能量相对而言就很小。如 果不采取处理措施，在通过漂移管道的过程中会增大再电离损失，影响托卡马克装置 内的真空度和加热效果。束流限制器的调整裕度是通过主真空室外壁的调整波纹管来 实现的，由于涉及到运动部件，在这里采用焊接波纹管进行动密封。本系统束流限制 器可调节形成矩形薄壁窄缝，尺寸为0 2 r e x 0 2 m 。 2 2 6 漂移管道 漂移管道的主要功能有： 匹配n b i 主真空室和托卡马克真空室的压差，以减小高能中性束在输运 过程中的再电离损失； 检测束流参数，通过功率测量靶测量中性束或离子束的功率，利用光谱 测量束流成分和密度分布等； 在n b i 主真空室与漂移管道和漂移管道与托卡马克真空室之间装有快速 插板阀，当离子源出现故障或停止中性束注入时可迅速关闭阀门，实现n b i 主 真空室与漂移管道、漂移管道与托卡马克真空室的真空隔断； 在漂移管道段出口处设有过渡管道，可以对束流进行准直调节，还可以 根据需要灵活地调节漂移段长度。 理论上中性粒子束漂移管道段压力越低，束流再电离损失越小。但考虑到 与n b i 主真空室和托卡马克真空室的压力匹配，通常选取漂移管道段压力比主 真空室和托卡马克真空室的动态压力低一个数量级。 本系统漂移管道段总长为1 4 7 m ，其中真空室部分为盒式结构，尺寸为0 9 2 5 m x 0 7 6 m 0 6 6 m ；管道部分为圆筒型结构，尺寸为巾0 3 m 0 5 4 5 m ，稳态实验运行时动 态真空度要求为5 x 1 0 - 4 p a 。主要放置有漂移管道差分低温抽气系统，其抽速可由 s = q ，p 确定。 2 2 7 束功率测量系统 柬功率测量系统主要用来测量注入h t 一7 托卡马克的高能中性束的功率，也可以 用来测量引出的高能离子束的功率，其设计测量上限为8 m w 左右【1 9 1 。一方面提供注入 托卡马克装置内的中性束能量的参考值，另一方面用来计算中性化效率的大小，衡量 n b i 系统性能。 2 2 8 其它辅助系统 除以上各主要组成部分以外，中性注入系统还有其他一些组成部分，如电源系统、 冷却系统、测量控制系统以及高压隔离和安全连锁系统等。 9 第三章中性柬注入系统压力分布研究 中性束注入系统压力分布研究的目的在于，通过对离子源、中性化室、主真空室 和漂移管道真空压力分布的计算和模拟，为低温抽气系统的工程设计提供理论依据。 3 1 中性束注入系统压力分布模型 图3 1 为h t - 7 托卡马克n b i 系统各部分气源和压力分布简化模型【2 0 1 。 主真空室 图3 1 中性柬注入系统压力分布简化模型 f i g 3 is i m p l i f i e dm o d e lo f g a sp a t ho f n b is y s t e m 图中p s 一一离子源内平均压力 p a 】： p 。一一中性化室内平均压力【p a 】； p l 一一主真空室平均压力【p a 】： p 2 一一漂移管道内平均压力 p a 】； s i 一一主真空室低温抽气系统抽速【m 3 s 】； s 2 一一漂移管道段差分低温抽气系统抽速【m 3 s ； r i o n 一一离子源引出的高能离子束所对应的气体量 p a m 3 s 】； r 。一一中性化后产生的中性粒子束对应的气体量 p a m 3 s ； i d u m p 一一高能离子束中未被中性化的高能离子束对应的气体量【p a i t l 3 s ； r l 一一高能中性束被束流限制器所隔离束流对应的气体量 p a m 3 s ； q 厂一离子源头部进气量 p a m 3 s 】； q b 。一一中性化室补充进气量 p a m 3 s 】； 1 0 q 。一一工作过程中中性化室进入主真空室内的气体量【p a m 3 s 】； q i 一一由离子源进入中性化室的未被电离的气体量 p a m 3 i s ： q i o n 一一被偏转离子束到达离子吸收板转化成的气体量p a m 3 i s ； q l 一一束流限制器产生的气体量【p a i t l 3 s 】； qr c j 。i 一一高能中性柬在主真空室内的再电离损失对应的气体量 p a 恤3 s 】； qr c 。2 一一高能中性柬在漂移管道内的再电离损失对应的气体量 p a 气1 1 3 s 】； q 1 2 由主真空室进入漂移管道内的气体量【p a m 3 s 】； q 。由漂移管道进入托卡马克装置的气体量【p a m 3 ，s 】。 3 2 中性束注入系统参数【2 l j h t - 7 托卡马克n b i 系统设计的引出离子束参数为6 0 a 、5 0 k e y 、3 0 0 m s e c 。 所用离子源为2 2 c m 双潘宁型离子源，离子源气体利用率为5 0 。中性化室为长圆筒 形结构，尺寸为巾0 2 5 m x 0 8 m ，中性化室内的平均压强在1 0 “p a 量级，对5 0 k e y 的 离子束，其中性化效率为7 0 3 。主真空室为箱体结构，尺寸为1 8 m x 0 9 7 m x 2 m ， 体积为3 5 m 3 ，极限真空要求为1 0 。l o - 6 p a 量级，稳态实验运行时动态真空度 要求为5 5 1 0 - 3 p a 。漂移管道段总长为1 4 7 m ，其中真空室部分为箱体结构，尺寸为 0 9 2 5 m x 0 7 6 m x 0 6 6 m ；管道部分为圆筒型结构，尺寸为由0 3 r e x 0 5 4 5 m ，稳态实验 运行时动态真空度要求为5 x 1 0 4 p a 。n b i 系统主真空室和漂移管道段选用1 c r l 8 n i g t i 不锈钢材料( 未经过处理前) ，- - 4 时后的出气率q = 2 3 x1 0 4 p a 1 ( s c m 2 ) 。 3 3 中性束注入系统压力分布 3 3 1 系统气源分析 n b i 系统总的气源有两个：离子源头部进气和中性化室补充进气。下面分析在 n b i 系统稳态实验运行时，系统各部分分布的气体量。 3 3 1 1 离子源段气源分析 离子源头部的进气经离子源弧室后，部分被电离形成等离子体，仍有部分未被电 离的气体。这部分未被电离的气体以及由于等离子体粒子电荷交换作用产生的气体就 是n b i 系统稳态实验运行时，离子源内部存在的气源。在稳定起弧状态下，由于电荷 交换作用产生的气体量与由于电离作用损失的气体量接近平衡，可以忽略不计。因此， 这里仅计算未被电离的气体量，作为离子源段气源。 对于不同电流强度的离子束所需要的气体量也是不同的。设引出离子流束流强 度为，o ，其中日? 、研、毋所占的相对比例为占t ：f ：f 3 ，那么日? 的束流强为 j l = i o ，日，i - ；的束流强为h = i o 占2 ，日：的束流强为h = i o 占3 。 所用2 2 c m 双潘宁离子源设计参数为：引出束流为6 0 a 、5 0 k e v 、3 0 0 m s e e 离子 流，束流中h 、彤、日；的比例为8 4 ：1 3 ：3 。对于h 2 来说，1 p a m 3 的气体量约有 2 6 x1 0 2 0 个分子。三种离子所对应的等效气体量分别为 2 2 】： r l2i忑：=丙三生赫=1181010 x 261 0 2 02 4 1 6 一”x 一 1 r 2 = 丽而甄i o g 丽2 = 2 3 7 5 l o 。2 l 1 2 2 而万曩丽鬲歹2 2 。1 0 。： 月譬：r 3 = 旦! 翌1 = 3 5 6 3 1 0 。2 ，3 1 6 1 0 一9 2 6 1 0 2 0 兰 3 ( 3 1 a ) ( 3 1 b ) ( 3 1 c ) 将i t = 5 0 4 a 、1 2 = 7 8 a 、厶= 1 8 a 代入上式，可得三种离子成分