低溫真空系統(tǒng)是NBI 綜合測試臺(NBITF)的一個重要子系統(tǒng)，它為與束的生成和傳輸過程相關(guān)的各類實驗提供真空環(huán)境支持。在介紹NBITF 基本組成的基礎(chǔ)上，重點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、氣源特性和熱負荷特性，并最終討論確定了低溫真空系統(tǒng)的冷量供給形式。實驗結(jié)果表明，該低溫真空系統(tǒng)的設(shè)計能滿足NBITF 的設(shè)計使用要求，并驗證了EAST-NBI 低溫真空系統(tǒng)設(shè)計的正確性。

　　中性束注入器(Neutral Beam Injector， 簡稱NBI)是一套用于產(chǎn)生高能帶電粒子束并對其進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)工程項目EAST 超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置上開展高水平實驗研究，等離子體物理研究所申請為EAST研制設(shè)計參數(shù)為40~70 A、50~80 keV、10~100 s 的NBI (簡稱EAST-NBI) 并首獲國家發(fā)展與改革委員會的支持。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，針對其運行中出現(xiàn)的問題和現(xiàn)象亦需進行專項研究以解決問題并加深對現(xiàn)象背后的物理機制的理解。在NBI 研制之初首先建立測試臺開展針對性的物理與工程研究屬國際上的通行做法。同時，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)考慮到開展NBI 相關(guān)實驗須考慮高電壓、高真空、輻射條件下的人員保護問題，在EAST 兩輪實驗之間的檢修維護期不具備利用EAST-NBI裝置開展專項研究的條件， 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 綜合測試臺(NBI test facility，簡稱NBITF)的研制。低溫真空系統(tǒng)是NBITF 的一個重要子系統(tǒng)，它為與束的生成和傳輸過程相關(guān)的各類實驗提供真空環(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。在總體上可認為NBITF 各主要部件均按照EAST-NBI對應(yīng)部件原型樣機的標準制造，以驗證設(shè)計的正確性并尋求改進優(yōu)化的具體措施。為了充分發(fā)揮科研資金的價值、擴展NBITF 的功能，計劃將來在主真空室后設(shè)計安裝專門的樣品測試室，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)化實驗研究、聚變裝置第一壁相關(guān)的熱力學(xué)測試研究、材料改性研究等提供硬件上的支持，NBITF 采用一臺離子源，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。

圖1 NBI 綜合測試臺組成結(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)境以滿足各種測試實驗對真空環(huán)境的要求；(2)驗證即將建立的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，最終結(jié)合束引出實驗驗證總體設(shè)計的合理性。

2.1、低溫冷凝屏結(jié)構(gòu)及其布局

　　為了實現(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，低溫泵組以低溫冷凝抽氣屏的形式設(shè)計安裝在主真空室內(nèi)，稱為前低溫冷凝屏和后低溫冷凝屏。

　　為了安裝維護方便，將主真空室設(shè)計為通過法蘭連接的三段式結(jié)構(gòu)，前低溫冷凝屏設(shè)計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量靶以便對束功率進行截止測量，其中間部位設(shè)計預(yù)留了專門的束流通道和功率測量靶安裝空間。根據(jù)前低溫冷凝屏的設(shè)計，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 的比例分為兩個相對獨立的抽氣單元，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荷提供依據(jù)之一。對于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，目的在于檢驗和預(yù)估EAST-NBI 低溫真空系統(tǒng)設(shè)計的正確性。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 實驗室內(nèi)，考慮到束引出時的人員安全問題，工作氣體確定為H2，而非EAST-NBI 常規(guī)實驗時所采用的D2；(2)NBITF 僅設(shè)計安裝一臺離子源和相應(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)的氣體負載主要來自兩方面：由中性化室出口進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 所示的各符號的意義及各氣源氣量大小的分析計算方法可參見文獻。對NBITF 低溫真空系統(tǒng)而言，雖然氣源特性受實驗過程的影響，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?shù)臍怏w的前提下，其總氣體負載的大小可認為等于系統(tǒng)的總進氣量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；中性化室達到最佳靶厚所需要的補充充氣量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)的熱負荷特性

　　低溫真空系統(tǒng)的總熱負荷主要包括前后兩組低溫冷凝屏的熱負荷以及為兩組低溫冷凝屏輸送冷量的傳輸管線的熱負荷兩部分。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)兩個相對獨立的冷卻回路，故每一部分的熱負荷又可分為氦側(cè)熱負荷和氮側(cè)熱負荷。低溫冷凝屏的氮側(cè)熱負荷相對應(yīng)的冷量設(shè)計為由來自液氮貯槽的液氮提供，在此不做分析，僅重點討論氦側(cè)熱負荷及其大小，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)熱負荷受NBITF 工作狀態(tài)的影響，當NBITF 處于實驗狀態(tài)(包括離子源起弧和束引出)時，冷凝板將承受Q=3.56 Pa·m3/s的氣體冷卻、冷凝載熱，當NBITF 處于實驗等待狀態(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NBITF 處于實驗狀態(tài)時冷凝板將承受的熱負荷QH2=15.66 W。

　　假定與冷凝板相對的防輻射擋板經(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荷忽略不計。

　　前低溫冷凝屏的冷凝板由10 個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，

　　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 實驗室的總體規(guī)劃，氦輸液回氣管的總長度按20 m考慮。因NBITF 需要的維護工作量比較大，為維護方便考慮，氦輸液回氣管采用多層絕熱的單根插拔式設(shè)計，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)在實驗狀態(tài)時的氦側(cè)熱負荷QHe=44.13 W，實驗等待狀態(tài)時的氦側(cè)熱負荷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)的實驗均需要低溫真空系統(tǒng)的支持，低溫真空系統(tǒng)的穩(wěn)定工作對實驗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)的實驗時，考慮到高電壓、束引出條件下的人身安全問題，須采用遠程實時測控方式；(3) 在NBITF 上連續(xù)開展實驗工作的量大、時間長，其低溫真空系統(tǒng)的冷量供給方式在經(jīng)濟性上應(yīng)具有比較優(yōu)勢。

　　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，實驗期間根據(jù)需要從市場上采購液氮予以補充。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)實驗安排臨時外購；購買氦制冷機組建氦氣液化、供冷、回收再液化子系統(tǒng)。由于低溫冷凝抽氫過程對溫度的敏感性很高且低溫溫度測量有時滯性，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驗狀態(tài)時的氦側(cè)熱負荷向冷凝板提供冷量。NBITF 每年的累計實驗時間預(yù)計不少于100 天，假定需要的液氦僅需支付50 元/ 升的液化費用，則每年需要花費不少于760 萬的液化費。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試室安裝低溫冷凝屏的冷量需求，經(jīng)市場調(diào)研最終選定經(jīng)適當改造的瑞士LINDE 公司LR70 氦制冷機組建專門的氦氣液化、供冷、回收再液化子系統(tǒng)。該制冷機在無液氮預(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

　　在實驗期間，通過制冷機連接NBITF 的冷量輸出口控制閥可方便實現(xiàn)對低溫真空系統(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儲存在液氦杜瓦內(nèi)，必要時可通過點加熱絲進行液面控制，也可通過氣體管理模塊降低壓縮機排氣口的壓力來調(diào)整制冷機的冷量輸出能力以匹配NBITF 的氦側(cè)冷量需求。

3、實驗結(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的采購安裝后，對低溫冷凝屏進行了常溫和液氮溫度下的漏率測試，對制冷機進行了制冷能力測試。氦制冷機在無液氮預(yù)冷條件下的制冷能力為126W×4.5 K，在輔助抽氣機組分子泵排氣口用氦質(zhì)譜檢漏儀檢漏并證實無可檢出漏點后，連接氦制冷機與低溫冷凝屏進行了抽速測試并配合離子源進行了起弧和束引出實驗，實測對氫總抽速大于1.4×106 L/s，能很好滿足NBITF 實驗需求，并能方便的實現(xiàn)對低溫真空系統(tǒng)降溫、冷凝面溫度調(diào)節(jié)、回溫再生等過程的遠程控制，該設(shè)計應(yīng)能推廣應(yīng)用于同類型的EAST-NBI 項目。