（制冷及低温工程专业论文）中性束注入器漂移管道用液氦低温冷凝泵的研制.pdf

中性束注入器漂移管道用液氨低温冷凝泵的研制 摘要 中性束注入加热技术由于其加热原理简单、技术理论成熟、注入功率高等 优点而日趋成为一些大型核聚变装置的主要加热手段。本文在详细介绍中性束 注入器的基本工作原理和漂移管道在其中重要作用的基础上，通过对三种不同 的抽气机理进行分析，为漂移管道设计了一台抽速为2 0 ，0 0 0 l s 的液氦低温冷凝 泵。 文章深入探讨了低温冷凝泵的选型、选材；泵的设计计算及工艺：低温系 统的热负荷分配；制冷剂消耗量的计算：液位的测量系统；温度及真空测量系 统：人字型叶片和液氦冷凝面的温度分布；以及漂移管道内的气体分布等。通 过对低温冷凝泵降温抽气的实验数据进行处理和分析，获取了低温冷凝泵的各 项关键性能参数。 中性束注入器漂移管道用低温冷凝泵的研制，对于迅速抽除从中性束注入 器主真空室过来的氢气，获得优良的柬传输效率具有重要意义。为将来研究更 大抽速的低温冷凝泵积累了丰富的工程和物理参数。 关键词：液氦低温冷凝泵、中性束注入器、漂移管道、研制 d e v e l o p m e n to fl i q u i dh e l i u mc ：r y o c o d e n s a t i o np u m pf o r d r i f tt u b eo 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 mi n j e c t i o n ( n b i ) h e a t i n gh a v i n gb e c o m eo n eo ft h em a i na u x i l i a r y h e a t i n gm e t h o d si nl a r g ee x p e r i m e n t a ln u c l e a rf u s i o nr e s e a r c hd e v i c e sf o ri t ss i m p l e h e a t i n gp r i n c i p l e ，m a t u r et e c h n o l o g yt h e o r ya n dh i g hi n j e c t i o np o w e r t h ew o r k i n g p r i n c i p l eo fn b ia n dt h ei m p o r t a n tf u n c t i o no ft h ed r i f tt u b e a r ei n t r o d u c e di n d e t a i l s ，al i q u i dh e l i u mc r y o c o n d e n s a t i o np u m pw i t hac a p a c i t yo f2 0 ，0 0 0 l si s d e s i g n e df o rt h ed r i f tt u b eb a s e d o nt h e a n a l y s i s o n3 k i n d so fp u m p i n g m e c h a n i s m s i nt h i sp a p e ri ti st h o r o u g h l yd i s 6 u s s e dt h a tt h es e l e c t i o no ft h es h a p ea n dt h e m a t e r i a lo ft h ec r y o c o n d e n s a t i o nc h a m b e r ，d e s i g nc a l c u l a t i o na n dt e c h n i q u e s ，h e a t l o a dd i s t r i b u t i o no ft h ec r y o g e n i cs y s t e m ，l i q u i dl e v e lm e a s u r i n gs y s t e m ， t e m p e r a t u r ea n dv a c u u mm e a s u r i n gs y s t e m ，t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h ec h e v r o n b a f f l e sa n dt h el i q u i dh e l i u mc o n d e n s a t i o np l a t ea n dg a sd i s t r i b u t i o ni nd r i f t - t u b e b yp r o c e s s i n ga n da n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t ad u r i n gc o o l i n gd o w n ，m a n yk e y p e r f o r m a n c ed a t ao fc r y o c o n d e n s a t i o np u m ph a v eb e e ng a i n e d t h ed e v e l o p e dl i q u i dh e l i u mc r y o c o n d e n s a t i o np u m pf o rd r i f tt u b eo fn e u t r a l b e a mi n j e c t i o n s y s t e mi sp r o v e st o b ee f f i c i e n tf o rt h eq u i c kp u m p i n go ft h e h y d r o g e nf r o mt h ev a c u u mc h a m b e ra n dt r a n s f e r r i n go ft h eb e a m i na d d i t i o n ， a b u n d a n te n g i n e e ra n dp h y s i c sd a t ah a v e b e e na c c u m u l a t e df o rt h er e s e a r c ho f h i g hp u m p i n gs p e e dc r y o c o n d e n s a t i o ni nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：l i q u i dh e l i u mc r y o e o n d e n s a t i o np u m p ，n e u t r a lb e a mi n j e c t i o n d r i f tt u b e ，d e v e l o p m e n t 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席：妻号教寸叫p 乏苓凯付秒以哕研锻 委员：羽；捌苛、 。扩钟7 屯研哓迁 导师： 干溺祆今肥力、付叛牧 鞲亏 豫吁jt 2 蔷帮纱嘶协i 驴 插图清单 图1 1 中性束注入器结构示意图3 图1 2p l t 装置中性束注入器系统简图4 图1 3 中性束注入器真空系统示意图6 图2 - 1 分子流范围低温泵结构示意图8 图2 2 贮槽式低温冷凝泵9 幽2 3 蒸发器式低温冷凝泵1 0 图2 - 4 制冷机低温泵原理图及典型结构图1 0 图2 5 低温蒸汽特性曲线1 1 图2 - 6 低温冷凝抽气示意图1 2 图2 7 低温吸附抽气示意图1 2 图2 8 不同厚度的氢层和衬底金属( 铜) 的温度对氢平衡压强的影响1 4 图2 - 9 典型抽速曲线1 5 图3 1h e 的相图2 0 图3 - 2 低温泵结构示意图2 2 图3 - 3 低温阵列的结构2 2 图3 4 人字型叶片简图2 3 图3 5 低温冷凝抽气面示意图2 4 图3 - 6 液氦冷凝面侧视图2 5 图3 7 杜瓦的结构设计2 5 图3 8 压差液面计原理图2 8 图3 - 9 超导液面计原理图2 8 图3 - 1 0 温度、真空采集硬件结构图2 9 图3 1 1 三线恒流驱动方式原理图2 9 图3 1 2 四线恒流驱动方式原理图2 9 图3 一l3 低温泵的装配图3 2 图4 1 有效立体角和轴向距离x 的关系3 4 图4 2 展开后的叶片物理模型4 0 图4 3 简化的叶片物理模型4 1 图4 - 4 阴影a 部分的温度分布4 3 图4 5 阴影b 部分的温度分布4 3 图4 6 液氦冷凝面截面的物理模型4 4 图4 7 液氦冷凝面温度分布模型4 6 图4 _ 8 液氦冷凝面的温度分布4 6 图5 1 中性束注入系统的气路简化模型4 7 图5 - 2 不同抽速下漂移管道内的压力变化曲线 图5 - 3 不同气体负载下漂移管道内压力变化曲线 图6 1 实验系统示意图 图6 2 温度计分布示意图 图6 - 3 低温冷凝泵温度采集界面 图6 - 4 液氮系统测点温度的变化曲线 图6 - 5 漂移管道真空采集界面 图6 - 6 液氮充注期间漂移管道内真空度的变化 图6 7 液氦系统测点温度的变化曲线 图6 8 液氦充注期间漂移管道内真空度的变化 5 0 5 0 5 2 5 4 5 5 5 5 5 6 5 6 5 7 5 7 表格清单 表2 1 不同氢层厚度时的a 、e s 值 表3 一】几种材料在不同表面及温度下的辐射率 15 2 6 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志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得金鳇王些盘堂 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。 学位论文作者签字 渺字日期：莎厂年夕月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒8 b 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，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金鲤王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文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) 学位论文作者签名彩留芏 导师签名：， 签字目期：刁年歹月j ，日签字日期：孵岁月岁日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 本文是在导师陈长琦教授和中国科学院等离子体物理研究所欧阳峥蝾高级 工程师的指导下完成的。陈老师严紧的治学态度，渊博的学识，平易近人的作 风和对科学的执着追求以及欧阳老师的多学多才，开阔的视角和丰富的现场工 作经验都让我受益匪浅，同时也将指导着我今后的工作学习和生活，在此向两 位尊敬的老师表达我最诚挚的谢意和敬意。 衷心的感谢中国科学院等离子体物理研究所的胡纯栋老师，刘智民老师， 刘胜老师以及其他n b i 课题组的老师和同学在工作、学习和生活上给予的无私 帮助和指导，正是在大家的共同努力下我们创造了一个和睦融治的环境，使我 在顺利完成学业的同时又收获到一份份沉甸甸的友谊。 衷心的感谢中国科学院等离子体物理研究所的辜学茂老师和合肥工业大学 的王铁军老师对本文提供的许多宝贵的意见和建议。 衷心的感谢三年来与我朝夕相处、情同手足的师兄弟和师姐妹们，生活因 为有你们而更加精彩。 最后，再次向多年来在我的学习和生活中给予我帮助的所有老师、同学、 亲人、朋友表达我诚挚的谢意。衷心的感谢我的父母给予我的极大支持和关心， 愿你们永远健康! 谨以此文献给他们。 作者：葛锐 2 0 0 5 年3 月 绪论 石油、煤等资源的广泛使用会对环境造成巨大污染，而大规模利用水能又 有可能存在生态隐患，人们对在未来模拟太阳，利用热核聚变为人类提供无限 的清洁能源寄予了极大的期望。专家指出，现有地球海水中富含的氘如果全部 用作热核聚变的燃料，能释放出足够人类使用百亿年的能量，并且其反应生成 物是无放射性污染的氦。因此如果能在地球上实现对核聚变的控制，让核聚变 能源持续有效的为我们所使用，就相当于人类有了第二个太阳一般。于是科学 家形象地将这种能持续稳定输出聚变能的装置比喻为“人造太阳”。热核聚变需 要在上亿度的高温下才能产生，但目前在地球上只有在原子弹爆炸时才能产生 这样的高温。科学家们发明了一种被称为“托卡马克”的“人造太阳”实验装 置，期望利用巨大的环行超导磁场对等离子体进行加热、约束，在不产生巨大 破坏的状况下创造热核聚变产生的物理条件。 经过几十年的努力，目前受控核聚变的研究已取得了部分成果，在等离子 体密度和约束时间上都已有了很大的提高，但是离工业领域的普遍应用还有很 大一段距离。核聚变研究的重要任务之一就是设法把等离子体加热到】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。主要的加热手段包括欧姆加 热、大功率射频波加热、绝热压缩加热、a 粒子加热和高能中性束注入加热等 i ”。目前这三种加热方法在国外都已经被很好的运用于实践中【2 】，这里主要介 绍一下中性束注入加热的研究现况。在国外，最早于上世纪7 0 年代开始研究， 并在许多托卡马克装置中成功的应用，例如，美国上世纪7 0 年代在p l t ，p d x 上进行了m w 级的n b i 加热试验，并取得了成功p 。4 j ；日本在j a e r m 上进行 了n b i 加热试验，取得了很好的结果：欧共体则在j t - 6 0 ，j e t ，d i l l - d 等托卡 马克装置上进行了试验。诸多试验表明，n b i 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 等) l 5 16 1 , 在技术也很成熟，中性束注 入加热也是适于我国在现有条件下开展研究的前沿课题。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，开始了中性束注入技术的研究工作。中性 束注入器漂移管道用液氦低温冷凝泵的设计与性能测试的研究即为其中的一个 子课题。 1 课题的来源、目的及课题所研究的主要内容 本课题来源于中科院等离子体物理研究所，作为h t - 7 t o k a m a k 装置中性束 注入加热系统的一个子课题而提出。课题的立项时间为2 0 0 2 年9 月份。其目的 在于为中性束注入系统研制一台抽速为2 0 ，0 0 0 l s 的液氦低温冷凝泵，并为将 来用于e a s t 上更大的低温冷凝泵的研制，积累丰富的物理参数和工程经验。 本课题所研究的主要内容包括：大抽速低温抽气面热负载的确定及换热； 热负荷的合理分配；确定最佳冷却面的形状与结构；液氮冷却的人字型挡板及 液氦冷凝面的温度分布；漂移管道内压力分布的理论分析；验证冷却面温度与 漂移管道内真空度的关系。 2 课题的意义 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，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 真空技术提出了新要求，中性束注入系统要求有高而洁净的动态真空，大抽速 低温冷凝泵以其自身的优点决定了它是满足此要求的最佳真空获得设备。国内 外均无现成的产品可以利用。因此，此泵的研制成功使我国在此领域的研究取 得了相当的突破，并为将来研制用于e a s t 上更大的低温冷凝泵积累丰富的工 程和物理参数，同时也可以应用在受控核聚变研究其它需要抽气的方面。 第一章中性束注入器的基本原理及结构 由于托卡马克中有强磁场，要将高能中性离子束注入到等离子体中去是不 现实的，因此必须将事先加速到很高能量的离子柬变成高能量的中性粒子束， 然后再注入到等离子体中去。“中性束”一般指的是高能中性氘原子束。目前中 小型实验装置上大多采用中性氢原子束。因为中性粒子束不受约束磁场的影响， 因而可以直接注入到等离子体中。进入等离子体后通过电荷交换和碰撞电离变 成离子被磁场捕获，再经过跟原有等离子体发生库仑碰撞，把能量交给等离子 体，从而达到加热的目的。这种方法在托卡马克、磁镜等装置中得到广泛应用。 1 1 中性柬注入器的结构和工作原理 图1 1 是中性束注入系统的典型结构示意图，它包括强流离子源、中性化 气体室、偏转磁体、离子吞食器，漂移管道，以及真空系统、电源系统和控制 系统。 图1 1 中性束注入器结构示意图 f i g 1 ls c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no ft h es t r u c t u r eo f n e u t r a lb e a mi n j e c t o r 整个系统是这样运行的：首先是强流离子源利用大电流气体放电的方法产 生初始等离子体，温度一般只有几个k e v ，密度大约为1 0 m 一。经过精心设计 的多电极结构从初始等离子体中把离子“拽”出来而将电子排斥掉。这些被拽 出来的离子通过加速结构而得到加速( 2 0 2 0 0 k e v ) 。加速后的高能离子再经过 中性化气体室，从那里的气体中捕获电子而变成高能中性粒子。从中性化气体 室中出来的粒子流中除了高能中性粒子外还有部分尚未捕获到电子的高能离 子。这部分离子经过偏转磁体时发生偏转，进入离子吞食器。从中性化气体室 出来的中性粒子束便经过传输管道和漂移管道注入到等离子体中去。我们所研 制的中性束注入器是在美国的p l t 中性束注入器基础上的延伸，其各组成部分 的分解示意图如图1 - 2 所示川。 1 、屏蔽壳2 、离子源3 、中性化器4 、柬流监测器5 、低温冷凝泵6 、离子吞食器 图j 2p l t 装置中性柬注入器系统简图 f i g 1 2s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f p l tn b ld e v i c e ( 1 ) 离子源j 离子源主要是用来产生高能离子柬，其能量最大可达几百个k e v 。该系统 的离子源采用的是2 2 c m 双潘宁型离子源，正常工作能够产生5 0 k e v 、6 0 a 、 3 0 0 m s 的脉冲正离子束线。核聚变研究对离子源的一个重要要求就是希望引出 的离子束中质子的比例尽可能的高。在离子源放电室中我们采用氢气作为工作 气体，一般总是会同时产生三种离子：h + 、h 2 + 及h 3 + 。其中我们仅需要原子离 子h + ，而并不需要分子离子h 2 + 、h 3 + 。这些分子离子和原子离子一起通过加速 电极，因此它们获得相同的能量。在这种情况下，离子质量越大，其速度越小。 这些速度较小的分子离子进入中性化气体室后便会分解成原子和原子离子。将 中性化室中的气体靶的厚度调整到最佳值，平衡时输出的中性粒子束的功率将 会达到最大。 ( 2 ) 中性化室 中性化室是将来自离子源的高能离子转换成中性粒子的装置，其任务是提 供符合要求的电荷转换靶。从离子源中引出的离子束在中性化室中跟原子和分 子的碰撞过程中，最主要的是快离子的单电子捕获过程，这是一种转移碰撞， 碰撞前后两粒子的电荷互相交换，可以用下式表示： a + + b - - - d - - a + b + + a e ( 卜1 ) 4 式中，a e 是碰撞过程中的能量亏损，等于两粒子电离电位之差。如果是离 子与其母体粒子碰撞： a + + a + a + a + ( 1 - 2 ) 则虽然碰撞前后每个粒子的内能改变了但是a e = 0 ，这个过程称为共振 电荷交换，其碰撞截面随相对碰撞速度的增加而单调下降。当能量大于2 0 0 k e v 时，截面急剧下降。分子离子与靶粒子碰撞时可能发生电荷转移，也可能被激 发。处于激发态的分子离子很不稳定，继而发生离解，例如： h 2 + ，h + + h ( 1 - 3 ) h 2 + h + + h + + e( 1 - 4 ) h 2 “- h + h( 1 5 ) h 2 + 。i - 1 2 ( 1 - 6 ) 前三个过程中得到的h + 和h 的能量为h 2 + 能量的一半。三分子离子h 3 + 也 有类似的碰撞离解过程。在高能情况下，分子离子离解产生快中性原子的截面 急剧下降r 引。 本系统中性化室为紧接在离子源后面的气体管道，横截面的几何形状与离 子源引出截面相同，为圆形，尺寸比前者略大，内径为2 5c m 。中性化室管道 由两层组成，内层为铜，背面焊接水冷铜管道，以冷却内层表面；外层为高导 磁材料，对外部磁场进行屏蔽，以防止干扰束流，许多强流中性束离子源采用 磁屏蔽措施后，其磁场强度可降到1 2 高斯以下。由于需要向中性化室送入新 鲜氢气，在中性化室中部设计了补气口。实验表明，送气可能使中性化转换效 率提高，但是离子源在引出栅上的束流损失增大了。进入中性化宣的气体确定 后，根据靶厚要求和真空抽气系统参数，可以算出所需要中性化室管道的长度。 中性化室通过过渡法兰和绝缘套与离子源相连。 ( 3 ) 偏转磁铁 没有被中和的带电粒子和再电离产生的带电粒子不能让其进入托卡马克， 也不能偏离束线轰击真空室壁和漂移管道，因此必须用偏转磁铁偏转掉。偏转 磁铁电流为4 0 0 安培，产生的磁感应强度约为0 1 5 特斯拉。 ( 4 ) 离子吞食器 离子吞食器共有三个，分别吸收由h + 、h 2 + 、h 3 + 演变而成的h + ，由于能 量不同，偏转半径不同，吞食器与三种不同能量的离子束分别成一定的角度， 使之能承受足够大的功率。吸收靶材料为铜，背面冷却水管为铜管。各靶厚度 及管道直径由于吸收能量的不同而异。 ( 5 )漂移管道 漂移管道介于主真空室和t o k a m a k 之间。由于主真空箱体内的动态真空度 为l o 。3 p a 量级，而t o k a m a k 装置内部的真空度为1 0 - 5 _ 1 0 - p a 。为了解决二者 之间真空度的不匹配，在漂移管道内装有一台抽速为2 0 ，0 0 0 l s 的液氦低温冷 凝泵，它能把伴随h o 粒子柬从主真空室传输过来的h 2 迅速抽除，起到差分抽 气的作用。从而防止高质量成分的杂质粒子注入等离子体区，污染等离子体。 同时，在漂移管道放置功率测量靶测量中性束的功率及束流密度分布等。为灵 活地训节漂移管道长度以及与离子源束流进行对中，在漂移管道出口处装有过 渡管道。 ( 6 ) 中性束注入器的真空系统 我们正在研制的中性束注入系统，其束参数为6 0 a 、5 0 k e v 、3 0 0 s e c ，t a n k 内本底真空度为1 0 1 0 - 6 量级，动态真空度为5 5 x 1 0 一。中性束注入器的真 空系统示意图如图2 3 所示：它由辅助真空系统与主真空系统两子系统构成。 辅助真空系统由】5 1 s 机械泵和1 4 0 0 1 s 涡轮分子泵组成，主真空系统则由对氢 抽速分别为4 0 0 ，0 0 0 1 s 和2 0 ，0 0 0 1 s 的4 2 k 液氦低温冷凝泵组成。辅助真空 系统对中性束注入系统进行预抽和低温冷凝泵再生期间抽除低温冷凝泵所解吸 的气体。主真空系统则起着快速稳定中性束注入系统动态真空度的作用。 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 图】- 3 中性束注a 器真空系统示意图 f i g 1 3s c h e m a t i co ft h ev a c u l u ns y s t e mo fn e u t r a lb e a mi n j e c t o r 1 2 低温冷凝泵对于中性束注入器的意义 中性束注入器以脉冲方式工作，注入器内的真空度呈动态分布。按要求中 性化室内的真空度须为l o - 1 p a 量级，真空箱体内动态真空度为1 0 - 3 p a 量级， 而托卡马克的真空度量级般在1 0 _ 5 1 0 一7 p a 【叭。为了在中性束注入托卡马克 的瞬问不影响托卡马克内的真空度，也为了减小中性束的再电离损失，必须有 一个大抽速的泵来迅速提高真空度，就我们目前正在研制的中性束注入器而言， 其柬参数为6 0 a 、5 0 k e y 、3 0 0 m s ，为了获得良好的动态真空度，要求在中心化 室部位布置一台对氢抽速为4 0 0 0 0 0 1 s 的泵，在漂移管段布置一台对氢抽速为 2 0 0 0 0 1 s 的泵。它对所使用泵的性能要求是： ( 1 ) 几何尺寸有一定的限制； ( 2 ) 所使用的泵应洁净，不应有高质量的杂质粒子流入等离子体区，污染 6 等离子体； ( 3 ) 能用于有磁场( 0 1 5 特斯拉) 和中子辐照环境，且能长期安全运行： ( 4 ) 易于安装与维护，造价及运行费用低。 根据中性束注入器对真空获得设备的要求我们可以看出，常规的管道连接 的抽气设备很难满足要求，而液氮低温冷凝泵以其适应高负荷、真空度高、瞬 时抽速大、洁净、以及低温冷凝面可以做成任意形状布置于装置空间等优点而 成为最优的选择。 目前主真空室用抽速为4 0 0 ，0 0 0 l s 液氦低温冷凝泵已研制成功1 1 0 l 。本文正 是在该泵成功研制的基础上，为漂移管道设计一台抽速为2 0 。0 0 0 l s 液氮低温 冷凝泵。 第二章低温泵的基本理论和特性参数 低温泵是近些年才发展起来的用低温手段获得洁净无油高真空及超高真空 的新技术，是低温技术和真空技术紧密结合的产物。它使获得无油洁净真空的 技术从实验室使用走向大规模工业应用。这是真空技术方面的重要进展，也扩 大了低温技术的领域。其工作原理主要是利用物理吸附作用和低温下的气体冷 凝作用及低温捕集作用抽气的综合。它具有很多优点：( 1 ) 低温泵的外形原则上 是没有限制的，对某一装置难以接触的位置，只有用低温泵才能获得高的抽速； ( 2 ) 低温泵的比抽速( 与泵入口面积有关) 比所有其他类型的泵都高；( 3 ) 低 温泵可提供完全洁净的真空，这种泵对真空系统没有任何污染；( 4 ) 极限真空 度高可达1 0 叫2 p a 以下的极限真空度；( 5 ) 有非常大的抽速，低温冷凝泵和低 温吸附泵组合在一起，可以抽除各种气体( 包括氦) 。因此适合于在气体负荷大， 真空度要求高的场合；( 6 ) 作为大容量的抽气系统，占地面积少，电力消耗少； ( 7 ) 制冷机式低温泵能使真空系统完全实现自动化，因而可以采取整体的程序 控制；( 8 ) 低温泵还具有无振动、无噪音、寿命长、结构简单等优点【l 引。正是 因为这些优点才得以使低温泵在真空镀膜、真空模拟、高能粒子加速器、受控 热核反应、电真空器件、环境空间模拟、材料科学和表面分析仪器等领域获得 了广泛应用。 2 1 低温泵的分类 低温泵的分类有两种不同的方法。按泵的工作压强范围，可把低温泵分为： ( 1 ) 用于连续流范围的低温泵，压强在1 0 1 3 x 1 0 5 p a - 1 3 3 3 x 1 0 - 1 p a 之间。例如温 度为7 7 k 的吸附泵；( 2 ) 用于分子流范围内的低温泵，通常在此范围内应用冷凝 泵，可再加一吸附级及低温捕集级。一般压强低于1 3 3 x 1 0 。p a 。图2 1 给出了 这种复合泵的结构示意图。按低温表面的冷却方式的不同低温泵大体可分为贮 槽式、蒸发器式和带制冷机式三种类型。 l 、辐射屏( 7 7 k ) ：2 、辐射屏( 2 0 k ) ；3 、真空室 4 、低温板( 4 k ) ；5 、低温板( 4 k ) ；6 、气氨冷却挡板 7 、液氮冷却挡板 图2 1 分子流范围低温泵结构示意图 f i g 2 - 1s c h e m a t i co fc r y o p u m pi nm o l e c u l a rf l o w 2 1 1 贮槽式低温泵 贮槽式低温泵( 如图2 2 所示) ，其基本结构是不锈钢液氦容器，底部作为 抽气面，周围被液氮容器包围。冷凝面下边的挡板有两个作用：( 1 ) 减少室温 对冷凝面的热辐射；( 2 ) 气体分子通过它被冷却后再打到冷凝面上；不可凝气 体则被预冷，从而减少对低温冷量的消耗。低温介质( 液氦) 直接注入泵内液池， 液池的底部作为低温板使气体冷凝达到抽气目的。其优点是泵的体积小、无振 动、无噪音、操作简便、适用于高能加速器等大型真空工程，中性束注入器上 所使用的低温泵就是贮槽式带扩展换热面的低温冷凝泵。然而此泵运行费用较 高，每次加注低温介质的使用时问短，需长期连续运转的真空系统要定期补充 工作介质，并且受到低温介质供应条件的限制。 1 、冷凝面；2 、人字型挡板；3 、连接发兰；4 、双层外套，镀银：5 、铜箔o 2 m m ： 6 、辐射屏；7 、填充氖；8 、间隙 ( a ) ：第一代贮槽式低温冷凝泵 ( b ) ：本芬努蒂研制的极低压强和长寿命贮槽式低温冷凝泵( 来源：欧洲核研究中心) 图2 - 2 贮槽式低温冷凝泵 f i g 2 2s t o r a g ec r y o e o n d e n s a t i o np u m p 2 1 2 蒸发器式低温泵 这是根据蒸发原理工作的，利用蒸发的氨气冷却低温面的低温泵。氮由贮 存容器可调节地供给低温面。下图为两种不同形状的按蒸发器工作原理工作的 低温泵。其中，图2 - 3 ( a ) 是克利平在文献 1 1 中介绍的按蒸发器原理工作的、 带有两个不同温度冷凝器的雷暴一黑罗伊斯型低温泵：内部的冷凝板为2 5 k ， 圆柱状的冷凝器为1 8 k ，抽速s ( n 2 ) = s i n 3 s ，s ( h 2 ) = 2 5 m 3 s ，液氦的消耗量大约 为1 l h 。图2 - 3 ( b ) 是福尔特 1 2 1 等人设计的雷暴一黑罗伊斯型低温泵。其中2 0 k 圆锥形面是根据蒸发器原理冷却的，7 7 k 隔离屏由液氮贮槽冷却。抽速 s ( n 2 ) = 1 2 m 3 s ，液氦消耗量为1 l h ，液氮消耗量为2 5 l h 。 蒸发器制冷已经得到广泛的应用，尤其是在低温恒温领域中，这种方法的 优点如下：( 】) 这种泵可在2 5 2 9 5 k 之间的任意可调温度下连续工作，且具 有较高的稳定性：( 2 ) 除了蒸发焓外还利用气体焓；( 3 ) 一般不需要第二种制 冷剂；( 4 ) 在冷气制冷情况下无任何震动：( 5 ) 装置可安装在任何位置，在不 9 易接近的地方也可以实现高的比抽速。然而其缺点正如已列举的数据所指出的， 在给定的抽速下蒸发制冷的液氦消耗量比贮槽式低温泵要高，因为连续地补充 液氦而使传输损失比较高。 1 、氦废气；2 、蒸气压强测量室：3 、外蛇形管；4 、蒸气压强测量室；5 、内低温板；6 、 供氦分路头；7 、辐射屏蔽板：8 、测量室( 4 ) 接头；9 、测量室( 2 ) 接头；1 0 、氨入1 2 1 图2 - 3 蒸发器式低温冷凝泵 f i g 2 3e v a p o r a t o rr e f r i g e r a t o rc r y o c o n d e n s a t i o np u m p 图2 - 4 制冷机低温泵原理图及典型结构图 f i g 2 - 4t h e o r e t i c a ld i a g r a ma n dt y p i c a ls t r u c t u r eo fr e f r i g e r a t o rc r y o p u m p 2 1 3 制冷机低温泵 制冷机低温泵又称现代低温泵，这是把低温面及挡板组装在封闭循环低温 制冷机系统中与制冷机组合为一体的低温泵。其在技术上有深远意义，尤其是 当研究和应用的主要趋势是向抽速大、抽气时间短和压强低发展时，其意义就 更加突出。它可以做到( 1 ) 抽气系统完全自动化，便于在真空工艺技术过程中 集中控制；( 2 ) 结构比较适宜。在s 1 0 0 m 3 s 时，该抽气系统有最经济的方案； ( 3 ) 可实现较高的抽速，s i o o m 3 s 是大型设备中所需要的。适用于t 2 0 k 的低温循环有：吉福特一麦克马洪循环，索尔文循环，斯特林循环，布雷顿循 环，克劳特循环等。 带制冷机的低温泵原理及结构如图2 - 4 所示，它不存在低温介质的输送问 题，兼有蒸发器式低温泵和贮槽式低温泵的优点，是目前比较理想的清洁超高 真空泵，广泛用于薄膜设备，微电子技术，高能物理，小型环境模拟设备以及 其他工业领域j 。 2 2 低温泵的抽气机理 低温抽气就是在低温下使被抽空间的气体由低温表面冷凝凝聚、捕集或吸 附，从而使被抽空间的压强大大降低获得并维持真空状态。实际上，在低温抽 气过程中，低温表面上发生的现象是十分复杂的。它受传导、气一固相变、低 温沉积物的不断生长和不断变化、低温沉积物的结构及其热物理性质等多种因 素的影响。加之所抽气体往往是热物理性质各不相同的多种组分混合气体，使 情况更为复杂。 关于低温抽气机理的基础，有许多不同看法，归纳起来主要有两种：一种 是根据临界速度分布决定捕获率的学说，它认为飞到冷表面的气体分子中，仅 仅是能量低于某一临界值的分子才能被捕获；另一种是动态平衡学说，它认为 飞到冷表面上的气体分子停留在冷表面上，同时有另外一些气体分子从冷表面 蒸发，离开表面，被捕获和离开表面的分子之差就是抽气速度。相比之下，后 者较为流行。 - - ， l i 。里鼻也如 一v 1 0 一 晶 1 0 i 口 点 钟毒歹 芭雹芴万 1 0 一t l , 矽彳磋静r f ，il l c t y 。，一 ， r 争1翰f f i弘一 1 0 一i l ? ， j ，l 力硅 j x 1 0 。t工口。 口嘲r 嘞，r。嘣骶警t | l l ，掣) i 柏o 1 0 一1 0 一 彳 氛|lq 确研叫llf1 0 一l 1 0 一。 ， |i | ，0i ， 户学 1 0 - ，j 1 0 i i ， | 。 r zz 拉j | 1 n 一 r 一 图2 - 5 低温蒸汽特性曲线 f i g ，2 5c h a r a c t e r i s t i cd i a g r a mo fc r y o g e n i cv a p o u r 墨 窨 2 2 1 低温冷凝抽气 气体分子冷凝在低温表面上，被抽容器内的气体平衡压力大体为冷凝物饱 和蒸汽压力。为了在高真空环境下抽空气，冷板的温度必须降低。图2 5 给出 低温范围内的蒸汽特性，由图可知：( 1 ) 通过低温冷凝抽气要获得1 3 3 1 0 - 6 p a 以下的压强必须用液氢或液氦冷却。除h 2 外许多气体在4 2 k 的温度下其饱和 蒸汽压都低于1 3 3 1 0 “2 p a 数量级，h 2 0 、c 0 2 、0 2 等的蒸汽压都趋近于零， h 2 的蒸汽压为1 3 3 1 0 4 p a 数量级，h e 气的压强较高；( 2 ) 在液氢的沸点温度 2 0 4 k 温度下，可有效的凝除h e 、n e 、及h 2 以外的一切气体。由于液氢的使 用不安全，且氢液化设备复杂。一般采用低温制冷机代替液氢获得2 0 4 k 的低 温：( 3 ) 液氮可有效地冷却h 2 0 、c 0 2 等气体，并且它的汽化潜热很高，比较 经济。但对其它气体，如0 2 、a r 等无能为力，故不能获得较高的真空度。 低温抽气过程的宏观研究指出，在冷凝板沉积物表面，不但发生分子凝聚 的正向过程，同时还发生反射和被凝聚分子蒸发的逆向过程。抽气时，芷向过 程进行的速度大于逆向过程进行的速度。总的抽气速度在数值上等于两者速度 之差。图2 - 6 表示出伴随着低温冷凝抽气有入射、反射及蒸发三部分。若n 。 为落在冷凝板上的分子数；n ，为反射出的分子数；n 。为蒸发出的分子数，则被 抽除也即被捕获的分子数n 。为： ns = n 。一( nr + n c ) ( 2 - i ) 这就是低温冷凝抽气的基本方程。被抽除分子数就是单位时间在单位冷凝 表面上所凝结的分子数。 人射气体 分子 器登c 强窿中s ， 图2 - 6 低温冷凝抽气示意图 f i g 2 6p u m p i n gc h a r a c t e r i s t i co f c r y o c o n d e n s a t i o n 气体蠢搴- 馘“ 图2 ，7 低温吸附抽气示意图 f i g 2 - 7p u m p i n gc h a r a c t e r i s t i co f c r y o s o r p t i o n 2 2 2 低温吸附抽气 当在低温面上粘贴一些多孔固体吸附剂时，这些吸附荆将以自己的多孔吸 1 2 附功能来捕获被抽空间的气体，称之为低温吸附抽气。低温下，固一气界面上 发生的这种吸附现象是物理吸附。物理吸附相当于气体分子在固体表面上的凝 聚，在任何气体与固体之间，均能发生物理吸附。且吸附分子和固体表面的化 学性质都保持不变，其吸附量与吸附剂的表面积成正比。图2 7 给出了低温泵 中关于低温吸附的示意图。 2 2 3 低温捕集抽气 低温泵的抽气往往是混合气体，如空气，因而对某一冷表面来说同时存在 “可凝性”气体和“不可凝性”气体。于是在低温表面便发生如下奇特现象： 即在可凝性气体的凝结过程中，能不断捕集其它非可凝成分，并降低其分压强， 起到一种抽气作用，称这种作用为低温捕集。该过程包括两个方面，一是裹协 性的共吸附，即当可凝性气体流向低温表面凝结时把非可凝性气体也裹带到低 温表面上，共同吸附。也有当非可凝性气体还未来得及离开低温表面时又有一 些可凝性气体凝结在它上面，从而把它覆盖在可凝性气体底下来捕获非可凝性 气体。其二是，可凝性气体在低温表面形成固态沉积层，这是一种多孔性、疏 松的结晶结构。它象多孔固体吸附剂一样能吸附一定量的不可凝性气体，从而 使不可凝性气体压强降低，起到一定的抽气作用。 2 3 低温冷凝泵的一般概念和物理基础 为了在一定范围内获得极大的抽速，需采用“真空壁”结构来抽气，“真空 壁”既是抽气面也是容积内真空壁的一部分。目前中性束注入器上采用的“真 空壁”多数是用液氦冷却的表面，它把常温的氢( 或氘、氚) 冷凝到抽气面上a 这种抽气方式不是把被抽气体从真空系统中移走，而是一定程度上把系统中热 运动的气体在冷却面上固定住( 或成固态晶体的结构形式) 。由于这样的抽气方 式，因而它有下面几种基本特性： 2 3 1 极限压强 从原理上讲，对于冷凝泵而言，真空容器中低温抽气面所能达到的极限压 强，就是在低温冷却面温度下被抽气体的饱和蒸汽压强；对于吸附类型的泵而 言，则为到达冷却面的被抽气体分子数等于从吸附面上解吸分子数时的吸附平 衡压强。然而，冷凝泵的极限压强与饱和蒸汽压强有较大差别，它受以下诸因 素影响。 ( 1 ) 被抽气体温度的影响 被抽容器( 即“真空壁”所包围的空间) 内的极限压强与被抽气体温度有 如下关系： 只= 只+ 1 。( t o r t ) ( 2 - 2 ) y ( 其中p 。为被抽容器内的压强，p 。为冷凝面温度下被冷凝气体的饱和蒸汽压， t 。为被抽气体温度( k ) ，t 。为低温冷凝面温度( k ) 。 r 般冷凝低温抽气面前有液氮冷却的“人“字型挡板，被抽气体通过挡板 后t 。= 7 7 k ，所以对4 2 k 的冷凝泵有如下的近似关系： 只= 4 只 ( 2 - 3 ) ( 2 ) “人”字型挡板温度的影响 为了防止以下因素带给冷凝面的热量：( 1 ) 热辐射：( 2 ) 注入中性束或逃 2 智 f 壤 甚 篁 暑 抟作徂崖谢敏( 开 图2 - 8 不同厚度的氢层和村底金属( 铜) 的温度对氢平衡压强的影响 f i g 2 8e f f e c to fd i f f e r e n tt h i c k n e s s h y d r o g e nl a y e ra n dp l a t et e m p e r a t u r et o h y d r o g e nb a l a n c ep r e s s u r e 逸等离予体的高能粒子直接轰击冷却面： ( 3 ) 室温气体带来的热量，因而在冷凝 面前设置“人”字型挡板。当“人”字型 挡板的温度在7 7 9 0 k 之间时，4 2 k 温 度冷凝面的极限压强可用( 3 - 1 ) 式进行 计算，在9 0 3 0 0 k 温度范围时有如下关 系： e = 只+ 口( 瓦4 一) ( t o r r ) ( 2 - 4 ) 式中口是与防护屏( 或“人”字型 挡板) 种类有关的常数，对于“人”字 型挡板，口= ( 1 2 2