（流体机械及工程专业论文）基于mc方法的nbi实验装置真空压力分布研究及实验.pdf

基于m c 方法的n b i 实验装置真空压力分布研究及实验 摘要 中性束注入器 n e u t r a lb e a mi n j e e t o r 简称n b i 是能产生高能带电离子 束并对其进行中性化形成高能中性粒子束用以加热托卡马克等离子体的装置 n b i 加热是在托卡马克上除了欧姆加热外的主要辅助加热中加热效率最高 物 理机制最清楚的手段 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 真空压力分布是影响中性束传输效率特别是再电离损失的极为关键的因素之 一 n b i 真空压力分布研究结果可为n b i 再电离损失研究提供依据 本文研究分析了h t 7 托卡马克n b i 实验装置的工作原理和结构特点 建 立了n b i 实验装置物理模型 同时利用m c 方法建立n b i 实验装置主真空室 及飘移管道内分子运动及碰撞的数学模型 并运用m a t l a b 软件进行编程实 现对n b i 实验装置真空压力分布模拟计算 得到了主真空室及飘移管道在充气 过程中的平均压力变化 气体分子分布状态变化以及压力分布三维云图 在 h t 7n b i 实验装置上进行了n b i 真空压力分布实验 对n b i 实验装置不同位 置的真空度进行了实时监测 并设计了n b i 用低温冷凝抽气性能测试平台 将 模拟计算结果与实验结果进行比较分析 模拟计算结果和实验结果均表明 为 使h t 7n b i 实验装置的主真空室在脉冲充气过程中维持在1 0 弓p a 量级 飘移 管道维持在1 0 4 p a 量级 要求n b i 主真空室低温冷凝泵抽速为4 0 万升 秒 飘 移管道低温冷凝泵抽速为4 万升 秒 本文研究的成果对n b i 传输过程中再电离 损失研究有重要的指导意义 关键词 中性束注入m c 方法压力分布模拟计算 p r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n a l y s i sa n de x p e r i m e n tf o rn b i e x p e r i m e n t a ld e v i c eb a s e do nm o n t e c a r l om e t h o d a bs t r a c t n e u t r a lb e a mi n j e c t o r n b i i sad e v i c ew h i c hp r o d u c e sh i g he n e r g yi o n b e a m n e u t r a l i z e si tt oh i g he n e r g yn e u t r a lb e a mf o rt o k a m a kp l a s m ah e a t i n g n b i h e a t i n gi so ft h eh i g h e s t h e a t i n ge f f i c i e n c ya n do ft h ec l e a r s tp h y s i c sm e c h a n i s m o f t o k a m a kh e a t i n gm e t h o de x c e p to h m i ch e a t i n g s o m el a r g e s c a l ef u s i o nd e v i c e s 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 ih e a t i n gt e c h n o l o g y t h ei n t e r n a t i o n a lt o k a m a ke x p e r i m e n t a lr e a c t o r i t e r a l s oh a sb e e np l a n e dt o u s et h i st e c h n i q u e n b ip r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni so n eo ft h ek e yf a c t o r s w h i c ha f f e c t t h en e u t r a lb e a mt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y e s p e c i a l l yt h er e i o n i z a t i o nl o s so fn e u t r a l b e a mt r a n s m i s s i o n t h er e s e a r c ho fr e i o n i z a t i o nl o s si si na c c o r dw i t ht h er e s u l to f n b ip r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n a l y s i s i n t h i sa r t i c l e t h eh t 7t o k a m a kn b io p e r a t i n gp r i n c i p l e sa n ds t r u c t u r e f e a t u r e sw e r ea n a l y z e d t h ep h y s i c a lm o d e lo fn b ie x p e r i m e n t a ld e v i c ew a sb u i l t a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fm o l e c u l a rm o v e m e n ta n dc o l l i s i o ni nt h em a i n v a c u u mc h a m b e ra n dd r i f tt u b eo fn b ie x p e r i m e n t a ld e v i c ew a sa l s oe s t a b l i s h e d b a s e do nm cm e t h o d p r o g r a mw a sd e s i g n e dw i t ht h em a t l a bs o f t w a r ea n dw a s i m p l e m e n t e dt h es i m u l a t i n gc a l c u l a t i o no ft h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o n t h ea v e r a g e p r e s s u r e m o l e c u l a r d i s t r i b u t i o na n d p r e s s u r e d i s t r i b u t i o nt h r e e d i m e n s i o n a l n e p h o g r a mo ft h em a i nv a c u u mc h a m b e ra n dd r i f tt u b et h r o u g ht h eg a si n t a k i n g p r o c e s si sg a i n e df r o mt h es i m u l a t i n gc a l c u l a t i o n t h en b ip r e s s u r ed i s t r i b u t i o n e x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u to nh t 7n b ie x p e r i m e n t a ld e v i c e t h ep r e s s u r e so f d i f f e r e n tp o s i t i o n sw e r er e a l t i m em o n i t o r e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a tt h es a m e t i m e t h ep u m p i n gp e r f o r m a n c et e s tf a c i l i t yf o rn b ic r y o c o n d e n s a t i o np u m pw a s d e s i g n e d b o t ht h er e s u l to fs i m u l a t i o na n dt h er e s u l to fe x p e r i m e n ti n d i c a t et h a t t h er e q u i r e dp u m p i n gs p e e d i nt h ep u l s eg a si n t a k i n gp r o c e s s o ft h em a i nv a c u u m c h a m b e rc r y o c o n d e n s a t i o np u m pi s4 x10 5 l sa n dt h ec r y o c o n d e n s a t i o np u m po f d r i f tt u b ei s4 x10 41 sf o rm a i n t a i n i n gt h ep r e s s u r eo fm a i nv a c u u mc h a m b e ra n d d r i f tt u b ea tl e v e lo f10 3 p aa n d10 4 p ar e s p e c t i v e l y t h er e s u l t so ft h i sp a p e rh a s d e e p e rg u i d a n c em e a n i n gf o rt h er e s e a r c ho fr e i o n i z a t i o nl o s si n n e u t r a lb e a m t r a n s m i s s i o n k e yw o r d s n e u t r a lb e a mi n j e c t o r m cm e t h o d p r e s s u r ed i s t r i b u t i o n s i m u l a t i o n c a c u la t i o n 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图4 i 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 15 图4 1 6 图4 1 7 图4 18 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 插图清单 中性束注入器装置的典型结构示意图 6 双潘宁型离子源示意图 7 离子源束线引出系统结构图 7 中性化室结构图 8 主真空室示意图 9 离子吞食器示意图 9 n b i 差分式真空系统结构图 1 2 低温冷凝抽气机理示意图 1 4 n b i 主真空室及飘移管道几何建模示意图 1 6 n b i 主真空室及飘移管道三维坐标系示意图 1 6 n b i 主真空室及飘移管道碰撞面编号示意图 1 7 分子发射方向示意图 2 0 余弦定律概率函数曲线 2 0 负z 方向碰撞后发射方向示意图 一2 4 正y 方向碰撞后发射方向示意图 2 5 负x 方向碰撞后发射方向示意图 2 5 负y 方向碰撞后发射方向示意图 2 6 正x 方向碰撞后发射方向示意图 2 7 正z 方向碰撞后发射方向示意图 2 7 分子碰撞到中性化室外壁坐标示意图 2 8 分子碰撞到中性化室外壁后发射方向示意图 2 8 n b i 主真空室及飘移管道充气过程平均压力变化曲线 3 6 n b i 模拟压力分布真空监测点示意图 3 6 n b i 模拟压力监测点充气过程真空压力变化曲线 3 7 n b i 充气过程模拟气体分子分布变化图 4 1 n b i 充气过程模拟压力分布云图 4 5 进气量对压力分布影响对比图 4 7 主真空室低温冷凝泵对压力分布影响对比图 4 8 主真空室低温冷凝泵抽速与平均压力关系曲线 4 9 漂移管道低温冷凝泵对压力分布影响对比图 5 0 主真空室低温冷凝泵抽速与平均压力关系曲线 5 0 中性化室对压力分布影响对比图 5 1 4 2 6 束流限制口尺寸对压力分布影响对比图 5 2 4 2 7 束流限制口尺寸与平均压力关系曲线 5 2 5 1n b i 真空压力分布实验装置示意图 5 4 5 2n b i 真空测量点改造前后比较 5 5 5 3n b i 压力分布实验充气系统 5 6 5 4n b i 充气阀流量与控制电压关系曲线 5 6 5 5n b i 用低温冷凝抽气性能测试平台系统图 5 7 5 6 人字形挡板的结构示意图 5 8 5 7 流量计法抽速测试罩 5 9 5 8小孔流导法抽速测试罩 5 9 5 9n b i 实验装置降温过程主真空室压力变化曲线 6 6 5 1 0n b i 压力分布实验各真空规处压力变化图 6 8 5 1 1n b i 压力分布实验充气过程各处压力变化曲线 6 9 图图图图图图图图图图图图图 表格与框图清单 表4 1n b i 主真空室及飘移管道内分子碰撞面数学表达式表 1 8 表4 2m c 模拟真空压力监测点表 3 6 程序框图4 1 3 2 程序框图4 2 3 3 程序框图4 3 3 4 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 金胆至些太堂 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 签字日期舻么月少日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解合肥工业大学有关保留 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 权合肥工业大学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 靴做储獬 搠彦 签字日期乡卅学年 局2 日 学位论文作者毕业后去向 i f f 单位 通讯地由 导师签名 签字日期 嬲年多月2 e t 电话 邮编 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 究员的指导下完成的 陈长琦老师为人正直 知识渊博 治学严谨 是我一生 学习的好榜样 这篇论文从选题立意到谋篇布局 无不渗透着陈长琦老师的悉 心指导 胡纯栋老师前瞻性的学术思想 踏实的工作作风以及平易近人的处事 方式都给我留下了深刻的印象 在此 谨向两位指导老师致以最衷心的感谢 本文是在中科院等离子体物理研究所n b i 室完成的 衷心的感谢n b i 室在 课题研究期间提供给我良好的学术环境 特别要感谢王绍虎老师 刘智民老师 刘胜老师 谢远来老师 李军老师 蒋家广老师以及蒋才超工程师等老师和同 学对我学习和生活上无私的帮助和鼓励 在研究生学习过程中还得到了合肥工业大学朱武老师 干蜀毅老师 朱仁 胜老师 王旭迪老师 程建萍老师 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段献学 贺成玉 伍建华 王策 谢捷以及师兄王保 华 师弟郭江涛 窦仁超 张建国等各位同学给予的热情帮助 衷心感谢我的父母以及妻子一直以来对我的关爱 支持和理解 最后 再次感谢所有曾经关心和帮助过我的老师和亲友们 谨以此文献给他们 妒伊 第一章绪论 能源是经济高速发展的动力保障 事关人类自身的生存与发展 伴随世界 经济的发展与人口的不断增长 对能源的需求量正在急剧增加 煤 石油等化 石能源是不可再生能源 资源日益枯竭 而且给地球带来了巨大的污染 为了 解决能源问题 科学家们正在不断探索新的能源形式 在过去1 0 0 年左右的时 间中 人类对能源的研究和使用已从化石燃料的单一化结构 发展到以化石能 源为主 裂变核能和再生能源互补的多元格局 从储量 环保 安全等方面考 虑 能源问题依然没有得以彻底而有效的解决 核聚变能被认为是最终解决人 类能源危机的战略能源 实现可控核聚变可一劳永逸的解决人类的能源问题 因而聚变研究越来越引起各国的重视 虽然实现可控核聚变的科学可行性已得 到证实 但要建立具经济性的商业运行堆 仍有许多工程与物理问题亟待解决 1 1 中性束注入器的国内外发展概况 实现受控核聚变所必须解决的主要问题之一就是如何让将等离子体加热到 反应温度 1 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 在国外 最早于上个世纪7 0 年代开始研究 并已经在许多托卡马克 装置中取得了成功的应用 例如 美国在p l t p d x t f t r n s t x d 一d 上进行了m w 级的n b i 加热试验 并取得了成功弘 j 4 j 日本在j t 6 0 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 e t 等托卡马克装置 上进行了试验 5 6 1 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 7 1 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 引 目前 国外在n b i 加热方面技术已经成熟 实验 发现中性化室的压力分布情况与理论计算结果比较吻合 9 在国内 n b i 加热 方面的研究比较晚 中科院等离子体物理研究所曾于8 0 年代进行了初步尝试 但由于种种原因而停止 核工业部西南物理研究院在这方面也有所涉及 l0 总 之就国内而言 有关中性束方面的应用还比较少见 真正意义上的中性注入加 热研究才刚刚起步 可供借鉴的经验很难找到 因此首先必须在这方面进行理 论探讨 中性束注入加热已经被列入 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 i 的研制工作 1 2 课题的来源 目的及所研究的主要内容 本课题来源于国家自然科学基金15 0 7 5 l5 0 一一中性束传输过程中再电离 损失的抑制研究 是为了研究中性束注入器实验装置 n b i 真空压力分布与 中性束传输过程中再电离损失关系而提出的硕士论文研究课题 本课题研究的目的是为了研究中性束注入器实验装置的真空压力分布 从 而为解析中性束注入器真空与中性束传输过程中再电离损失的关系提供理论上 的依据 本课题研究的主要内容是针对中科院等离子体物理研究所研制的中性柬注 入器实验装置的真空压力分布进行研究 建立适合该装置真空压力分布的模型 并且使用m c 方法模拟中性束注入器实验装置真空的压力分布 1 研究中性束注入器实验装置的真空压力分布 建立蒙特卡罗模拟分析 用的模型 2 使用蒙特卡罗方法对中性束注入器实验装置真空压力分布进行模拟计 算研究 并分析在不同实验条件下的压力分布规律 3 在现有的中性束注入器上进行实验 监测其真空压力变化 验证蒙特 卡罗方法对中性束注入器的真空压力分布模拟的可靠性与有效性 1 3 课题的意义 中性束注入加热是国际上大型磁约束核聚变装置的一种重要加热手段 具 有加热原理简单 注入功率高 技术相对成熟等优点 已经成为国际聚变界公 认的最有效的加热方式之一 为了进一步提高中性束注入加热效率 必须抑制 中性束在传输过程中再电离损失 中性束注入器装置真空压力分布是影响中性 束再电离损失的重要因素 所以研究中性束注入器装置的真空压力分布为研究 中性束在传输过程中的再电离损失提供有效的依据 2 2 1m c 方法的起源 第二章m c 方法简介 m c m o n t ec a r l o 方法又叫随机模拟方法或统计实验方法 它是通过不 断的产生随机数序列来模拟过程 m c 方法的提出可以追溯到1 8 世纪末期 著名的b u f f o n 投针实验就是b u f f o n 在1 7 7 7 年提出的求圆周率兀的近似值的方 法 1 1 但是这种方法运算量很大 一直受到计算工具的限制 实际应用并不多 直到2 0 世纪4 0 年代以后 随着电子计算机的发展 该方法才得到迅速的发展 和应用 在第二次世界大战中 m c 方法首先被美国的科学家应用于原子弹的 研制中 目前这 方法已经广泛运用到物理学的许多领域 甚至像系统工程 科学管理 生物遗传 社会科学等学科领域也采用了这种研究方法 这些都充 分表现出这种方法完全区别于其他的方法 具有独特功能和优越性 m c 方法有很多名称 随机抽样法 随机模拟法 伪随机数法等等 每个 名称都强调了这种方法的一个突出特征 无疑都是正确的 然而没有一个名称 能够反映这种方法的全貌 无疑都是片面的 在这种情况下 一些物理学工作 者把以赌博业发达闻名于世欧洲摩纳哥的名城一一m o n t ec a r l o 的名称赋予给 了它 从博弈的角度使人联想起随机抽样来 这个抽象的名称很快在各国科技 工作者当中流行开来 成了国际上通用的名称 m c 方法的基本思想就是在计算机上模拟实际概率过程 然后加以统计处 理 1 2 经过6 0 年的发展 m c 方法已经成为当今计算物理学中的一种重要的 方法 13 1 2 2m c 方法的基本思想及应用 所谓m c 方法 就是根据待求随机问题的变化规律 根据物理现象本身的 统计规律 或者人为地构造出一个合适的概率模型 依照该模型进行大量的统 计实验 使它的某些统计参量正好是待求问题的解 1 4 假设所要求的量a 是随机变量芎的数学期望e 芎 那么近似确定q 的方 法是对号进行n 次重复抽样 产生相对独立的亏值得序列芎l 亏l 氨 并 计算其算数平均值 1 磊 吉 磊 2 1 2 n l 根据柯尔莫哥罗夫加强大数定律 1 5 有 3 以錾m 靠 功 1 m 因此当n 充分大时 下式 ze 务 口 2 2 2 3 成立的概率等于1 亦即可以用孝 作为所求量口的估计值 m c 方法可以应用于处理各种类型的问题 但总的来说 视其是否涉及随 机过程的性态和结果 用m c 方法处理的问题可以分为两大类 第一类是确定性的数学问题 用m c 方法求解这类问题的方法是 首先建 立一个与所求解有关的概率模型 使所求的解就是所建立模型的概率分布或数 学期望 然后对这个模型进行随机抽样观察 即产生随机变量 然后用其算术 平均值作为所求解的近似估计值 计算多重积分 求逆矩阵 解线形代数方程 组 解积分方程 解某些微分方程边值问题和计算微分算子的特征值等都属于 这一类 第二类是随机性问题 例如中子在介质中的扩散等问题 16 就属于随机性问 题 这是因为中子在介质内部不仅受到某些确定性的影响 而且更多的是受到 随机性的影响 对于这类问题 虽然有时候可以表示为多重积分或某些函数方 程 并进而可以考虑用随机抽样方法求解 然而一般情况下都不采用这种间接 模拟方法 而是采用直接模拟方法 即根据实际物理情况的概率法则 用电子 计算机进行抽样试验 原子核物理问题 运筹学中的库存问题 随机服务系统 中的排队问题 动物的生态竞争和传染病的蔓延等都属于这一类 在应用m c 方法解决实际问题的过程中 大体上分为以下几个内容 1 对求解的问题建立简单而又便于实现的概率统计模型 使所求的解恰好 是所建立模型的概率分布或数学期望 2 根据概率统计模型的特点和计算实践的需要 尽量改进模型 以便减小 方差和降低费用 提高计算效率 3 建立对随机变量的抽样方法 其中包括产生伪随机数的方法和建立对所 遇到的分布产生随机变量的随机抽样方法 4 给出获得所求解的统计估计值及其方差或者标准误差的方法 2 3m c 方法在真空技术中的应用 真空中微观粒子运动是随机过程 真空的宏观物理性质是大量微观粒子相 应微观量的统计平均 容易把所研究的宏观量与粒子运动的概率特征联系起来 这就使得m c 方法在真空学科中获得了广泛应用 4 m c 方法在2 0 世界6 0 年代引进真空技术领域 4 0 多年来发展迅速 已遍 及真空学科各方面 主要应用范围为气体分子运动论 真空测量 真空获得 真空系统和元件 分子物理 表面物理 气体导电物理和化学物理等诸多研究 方向 以下是几种常见的m c 方法在真空技术中的应用方向 1 7 1 用m c 方法计算自由分子流传输概率 2 用m c 方法计算自由分子流状态下的压力分布 3 用m c 方法计算电子发射 4 用m c 方法计算气体放电 5 用m c 方法计算离子溅射 本文中主要应用上述 2 使用m c 方法计算在自由分子流状态下的中性 束注入器实验装置真空压力分布变化 第三章中性束注入器装置 n b i 3 1 中性束注入器装置 n b i 的典型结构和工作原理 3 1 1 中性束注入器装置 n b i 的典型结构 对于磁约束等离子体 带电粒子不能入射到等离子体内部 必须对高能带 电粒子进行中性化 1 8 n b i 就是一套用来产生高能带电粒子并进行中性化的设 备 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 但它们都遵 循一个共同的原理并包含一些典型的设备 中性束注入器装置的典型结构如图 3 1 所示 它包括离子源 中性化室 主真空室 偏转磁体 离子吞噬器 束 流限制靶 飘移管道及真空系统等部分组成 图3 1中性束注入器装置的典型结构示意图 3 1 2 中性束注入器装置 n b i 的工作原理 由离子源产生的离子 经引出电极引出并经加速电极的加速 成为能量达 几十乃至上百k e y 的高能离子束 高能离子束进入中性化室实现中性化 从而 使其中的一部分转化为高能中性粒子束 中性粒子束经漂移管道注入到托卡马 克装置的等离子体中 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 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 达到加热等离子体的目的 束线中未中性化的部分在经过偏转磁铁时 在磁场 力的作用下发生偏转 最后打到离子消除器上 为离子消除器所吸收 6 3 2h t 7 中性束注入器装置 n b i 的性能及技术参数 h t 7 中性注入器装置的同样主要由离子源 中性化室 主真空室 偏转磁 体 离子吞噬器 束流限制靶 飘移管道等部分组成 下面简要介绍它们的性 能及技术参数 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 3 2 1 离子源 h t 7 中性柬注入器装置的离子源采用的是2 2 c m 双潘宁型离子源 主要由 灯丝阴极 阳极 磁铁及束线引出系统组成 图3 2 为其示意图 正常工作能 够产生5 0 k v 6 0 a 3 0 0 m s 的脉冲正离子束线 离子源加速极需要5 0 k v 6 0 a 的直流电压 减速极为 5 k v 8 a 直流电压 离子源的束线引出系统采用了三 栅极结构 如图3 3 所示 每个栅极上有1 7 9 9 个 0 3 8 c m 的小孔 而且它们的 位置误差不超过 0 0 5 m m 栅极板采用去离子水进行冷却 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 磁 毳当面1 耻2 裂裹型h 2 l l h 3 3 图3 2 双潘宁型离子源示意图 8 0 3 r a m m a x 2 a s m m d 8 m m 6 0 k v 1 5 4 m m 1 0 0 k v 加速极减速极公共地极 图3 3 离子源束线引出系统结构图 7 3 2 2 中性化室 中性化室设计成长圆筒形结构 其尺寸为m2 5 c m x1 4 0 c m 采用双层圆筒 制成 外层材料为软铁 内层材料为铜 两层圆筒之间安装有直径为1 t i l l 壁 厚为0 6 4 c m 的空心圆管 共有两组 在工作过程中内通冷却水 用来对中性化 室内壁进行冷却 中性化室与主真空室之间采用了两个法兰连接 其中一块的 材料为环氧树脂 作用是隔离离子源高压对主真空室的影响 此外为了能够对 中性化室的轴线位置进行调节 这两者之间的密封面采用了球形密封 如图3 4 所示 调节的实现是由图3 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 而丝杆又会带动径向杆的轴向移动 从而改变中性化室轴线的方向气压分布 其中1 对应于调整中性化室x 方向位 置分布 1 5 对应于y 放向位置分布 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 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充气系统 用来在工作过程中根据需要向中性化室充入 一定量气体 本系统的特别之处是采用了压电晶体阀 2 6 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 采用压电阀门是基于该种型号的阀门 开启时间比较快 通常的压电阀从全闭到全开的时间在几个毫秒以内 闭环反 馈控制系统可以对充气量进行精确控制 同时方便了远程控制阀门的开启 3 2 3 主真空室 图3 4中性化室结构图 2 中性化室法兰 4 中性化室固定法兰 6 绝缘用法兰 8 冷却水通道 l o 中性化室外壁 1 2 梯形密封圈 1 4 o 形密封圈 主真空室的主要功能是提供放置偏转磁铁和大抽速低温冷凝泵的场所 为 高能离子束的中性化营造一个合适的真空环境 见图3 5 主真空室在周围空 间允许的范围内要尽可能做得大一点 其效果是 一方面工作过程中从中性化 室内出来的大量气体有了一个较大的稀释空间 降低中性化室到托卡马克装置 之间系统内的压力 另一方面可以满足放在其内部的真空泵和偏转磁铁的空间 要求 主真空室尺寸为1 8 0 9 7 x 2 0 m 采用铝合金材料制成 在其内部主要 放置了中性化室 大抽速低温冷凝泵和偏转磁铁 中性化室在主真空室内的长 度为8 0 c m 大抽速低温冷凝泵是用来维持中性束注入器装置在工作过程中系统 内的真空度 其抽速为4 1 0 5 1 s 2 7 1 主真空室的压力分布是影响中性束在传输 过程中再电离损失的关键因素 图3 5 主真空室示意图 3 2 4 偏转磁铁 离子吞食器和束流限制靶 如前所叙 偏转磁铁的作用是在中性化束的传播路径上产生一定强度的匀 强磁场区 使得中性化束内未被中性化的高能离子在穿过匀强磁场区的过程中 偏离中性束线 磁场强度大小是可调的 具体强度大小由实验过程中离子源产 生的高能离子束能量大小决定 例如在6 0 k e v d 柬情况下 磁场强度为0 1 5 t 4 0 k e v h 束时为0 0 8 t 偏转磁铁偏转掉的高能离子束是被放置在主真空室底 部的离子吞食器所吸收 由于本注入器的能量相对较小 因而没有采用能量回 收装置 而是让其高能离子直接打在离子吞食器 然后通过冷却水把其能量带 走 该系统中离子吞食器共有三块组成 分别对应吸收e e 2 e 3 能量的高 能离子 图3 6 给出了离子吞食器的示意图 1 曩 豳茏醯豳滋l 自l 圜1 2 或1 3 能量 图3 6 离子吞食器示意图 在主真空室内除装有上述几种装置以外 还安装有束流限制靶 它主要是 用来调节中性束束斑的大小 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 如果不采取措施的话 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 此外束流限制靶还可用来调节注入能的能量 大小 束流限制靶的调整裕度是通过主真空室外壁的调整法兰来实现的 由于 涉及到运动部件 在这里采用了焊接型波纹管进行动密封 3 2 5 飘移管道 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1 0 3 p a 量级 而t o k a m a k 装置内部的真空度为1 0 51 0 1 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 2 引 它能把伴随中性粒子束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 束功 率测量仪主要用来测量中性化束束能大小 它的设计测量上限为8 m w 左右 2 引 为灵活地调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 3 3h t 7 中性束注入器的真空系统 目前对高能离子束进行中性化的方法之一就是使高能离子与中性化室内的 气体靶分子发生碰撞 产生电荷交换以实现中性化 气体靶厚度是影响中性化 效率的关键因素 为获得最佳中性化效率 一般要求维持中性化室内的压力在 1 0 1 p a 量级 具体大小可根据实验中束流参数的变化通过进气系统进行调节 真空箱体内的动态压力为1 0 3 p a 量级 在中性粒子的漂移段 理论上压力越低 束的损失越小 但考虑到其压力应与聚变装置内的压力相匹配 通常选取漂移 段压力比聚变装置内的动态压力低一个量级 要求维持漂移段压力在l o 4 p a 量 级 随着聚变装置尺寸的不断增大 为了获得满意的等离子体温度 对n b i 束 功率的要求不断提高 已经从当初的数百k w 逐步提高到现在的数十m w 随 着n b i 束功率的不断提高 n b i 对真空系统真空获得设备抽速的要求也越来越 高 要求其具有1 0 5 1 0 6 l s 量级乃至更高的对氢或对氘抽速 除了要求所使用 的真空获得设备能提供非常大的抽速之外 n b i 的真空系统还须满足以下条件 1 几何尺寸有限 l o 2 所使用的泵应洁净 没有高质量的杂质粒子流入等离子体区 污染等离 子体 3 能用于有磁场和中子辐照的环境 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可以看出 常规的须管道连接的 抽气设备很难满足要求 目前 在大型n b i 上常用的抽气设备大体有三类 钛泵 3 0 1 主要是升华钛吸气剂泵 常用在一些不具备低温条件的中小规模聚变 装置上 这种泵比较经济 建造和操作简便 为无油系统 但它在达到同样真 空性能条件下的设备体积 与低温泵相比几何尺寸稍大 抽气效率较低 体 吸气剂泵 常见的如锆铝1 6 型吸气泵 它的工作温度为4 0 0 左右 适合在注 入器上作为剩余离子束的处理靶 其结构比较复杂 机理有待于探讨 低温 泵 这是目前国际上大型磁约束装置首选的泵型 国际热核聚变试验堆 i t e r 装置也将采用此类型的抽气系统 3 1 1 该型泵的工作原理是利用液氦冷却的低温 表面 把系统中的氢或氦等气体分子冷凝吸附在低温面上 随着低温真空技术 的发展 利用低温来获得和保持真空不但理论上可行 而且在工程实践上也已 经取得广泛应用 这种利用低温获得真空的设备就是低温泵 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 低温冷凝泵可以使除氦以外的气体冷凝成固态 因而能获得清 洁的真空 极限真空度高 可达1 0 叫3 p a 的极限真空度 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 作为大容量的抽气系统 占地面积 少 有极大的灵活性 可以做成插入式 用于无法布置其它类型泵的场合 低温泵还具有无振动 无噪音 寿命长 结构简单等优点 32 1 这些优点使得 低温泵成为n b i 上最有前途的真空获得设备 由于n b i 系统不同部位对真空度的要求不一样 同时满足束漂移段与中性 化室对真空度的要求 有两套方案可供选择 单一真空室结构与差分式结构 采用单一真空室结构 真空室内的真空度须满足和聚变装置对接的要求 应维 持在与聚变装置内真空度相同的量级上 而为达到对来自离子源的高能离子束 进行中性化所必须的气体靶厚度 须通过中性化室进行补充充气 真空室内的 真空度越高 补充充气量就越大 采用差分式结构 将漂移段最大限度的与中 性化段分开 既可满足束线对真空度的要求又可以降低系统对真空泵抽速的要 求 提高真个系统制造与运行的经济性 除小型诊断中性束外 采用差分式结 构已成为大中型n b i 系统的必然选择 图3 7n b i 差分式真空系统结构图 采用差分式真空系统的n b i 其抽气系统通常由辅助抽气系统与主抽气系 统两部分构成 3 3 1 辅助抽气系统一般由涡轮分子泵机组构成 作为低温泵的辅 助抽气设备 为低温泵提供预真空以及在低温泵再生期间抽除泵释放出来的被 抽气体 主抽气系统采用大抽速低温泵是当前的主流选择 在离子源至t o k a m a k 之间形成一合理的压力梯度 以确保n b i 能正常工作并且不会影响t o k a m a k 的真空 等离子体物理研究所正在研制的n b i 差分式低温真空系统结构图如图 3 7 所示 两台泵均为低温冷凝泵 其对氢抽速分别为4 0 x 1 0 5 l s 和2 0 x 1 0 4 l s 分别布置在主真空室与漂移管道 3 4 本章小结 本章首先介绍了中性束注入器装置的典型结构和工作原理以及在可控核聚 变装置上的应用情况 对h t 7 中性束注入器装置的性能及技术参数进行了重 点介绍 对h t 7 中性束注入器装置的真空系统进行了详细的阐述 解释了h t 7 中性束注入器装置使用低温冷凝抽气技术的原因 并介绍了h t 7 中性束注入 器装置的差分式真空系统 1 2 第四章n b i 装置真空压力分布模拟分析 4 1n b i 实验装置真空压力分布模拟模型的建立 4 1 1n b i 实验装置真空压力分布模拟物理模型的建立 1 主真空室和飘移管道内气流状态为分子流状态 对于分子流和粘滞流的 判据 目前国内外多数学者推荐下列公式 3 4 告 1 为分子流 4 1 云 o 0 1 为粘滞流 4 2 o 0 1 吾 1 为粘滞 分子流 4 3 其中五 上l 式中k 为波尔兹曼常数 1 3 8 0 6 6 2 1 0 2 3 j k t 是气体 叫r 2 n o 2p 的热力学温度 取2 9 3 k o 是气体分子的直径 h 2 的分子直径o 2 7 5 1 0 圳i n 户是气体的压力 5 5 1 0 0 p a d 为气体流经管道最小直径 为1 8 m 兰 篙 三 圣 q 姿兰2 1 1 2 1 6 4 4 一 一21 i 斗i d4 2x 3 1 4 x 2 7 5 2x 1 0 2 0 5 5 x 1 0 q 1 8 根据上面的计算和气流状态判据可知主真空室内气流状态为分子流状态 又 因为飘移管道内压力比主真空室内压力还要低一个数量级 所以飘移管道内气流 状态也为分子流状态 于是在模拟计算的过程就可以按照分子流状态进行计算 由于主真空室和飘移管道内气流状态为分子流状态 那么就可以认为 气体 分子之间几乎不再发生碰撞 主要是气体分子与器壁 固体表面 之间的持续碰 撞 碰撞后的分子离开壁面的方向通常遵从余弦定律 碰撞后分子的平均动能由 器壁温度决定 35 气体的流动靠管内分子密度梯度推动进行 是大量分子单独运 动的综合效果1 3 引 2 发射分子遵从余弦定律 余弦定律又称为 克努曾定律 是基于 吸 附层 假设 凡碰撞于容器表面的分子都将被表面所暂时吸收 在表面滞留一段 时间后再重新 蒸发 出来 该假设与实验结果基本一致 3 7 发射分子遵从余弦 定律 那么碰撞与器壁表面的气体分子 它们飞离壁面的方向与初始入射方向无 1 3 关 并按表面法线方向所成角0 的余弦面分布 从表面发射的一个气体分子 离 开表面时位置立体角d 与表面法线成0 角 中的几率为 a p 塑c o s 0 4 5 石 式中系数1 n 是由归一化条件 即位于2 兀立体角中的几率为1 求得的 3 发射分子与器壁碰撞后的平均动能由器壁的温度决定 同样基于 吸附 层假设 分子在与器壁的固体表面碰撞时 气体分子和固体间可以进行充分的动 量和能量交换 使得碰撞后的分子动能为 瓦 孚 4 6 式中e w 为碰撞后的气体分子动能 单位为j k 为波尔兹曼常数 1 3 8 0 6 6 2 x 1 0 乏3 j k t w 为分子碰撞的器壁固体表面温度 单位为k 4 低温冷凝泵抽气模型的假设 低温冷凝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 3 引 从而使被抽空间的压力大大降低以获得并维持高真 空 超高真空状态 当气体分子碰撞 或入射 到比它的饱和温度还低几度 约4 5 k 的冷表面上 时 气体分子便将自己具有的能量交付于固体冷表面而冷凝 气体分子在与冷表 面相互作用时 气体分子把它的部分能量给予了冷表面 则它就可能没有足够的 能量逃出势阱 而在某个能级下陷入势阱 随后 由于固体表面被冷却 该分子 经受一个驰豫过程与固体达到热平衡 滞留在势阱底部附近 一直被俘获在那里 直到它从表面或其它入射分子那里取得足够能量逃脱为止 由于表面上冷凝的分 子滞留在势阱底部 所以它从冷表面处获得足够能量得以离开表面的几率很低 或 统计概率很小 最终以固态霜的形式留在冷表面上 只要固态霜表面保持或低于 所要求的温度就可以不断地冷凝入射气体 这就是低温冷凝结霜的物理基础 低 温冷凝泵正是基于这一原理达到抽除被抽空间的气体分子从而提高被抽空间真空 度的目的 由上述低温冷凝机理 在进行模拟计算过程中 认为分子一旦碰撞到低温冷 凝面上就立即被冷凝吸收 且没有分子能够脱离低温冷凝面 然而4 2 k 低温冷凝 面被7 7 k 低温人字形挡板屏蔽 分子要碰撞到低温冷凝面必须通过人字形挡板 如图4 1 所示 图4 1低温冷凝抽气机理示意图 1 4 气体分子通过人字形挡板的传输几率 取决于挡板的几何结构 包括形状和 尺寸 在气体分子通过光学密蔽的人字形挡板并与之碰撞的过程中 采用蒙特卡 罗法 跟踪每个分子的轨迹 可以计算出净通过挡板的分子数 3 9 通常 传输几 率定义为在给定方向上对所有进入到泵内的气体分子经过挡板的平均通过几率 对插入式低温冷凝泵 可以理解为传输几率在数量上等于通过挡板到达液氦冷凝 板的分子数与入射到挡