NBI綜合測試臺(tái)的建立，是為了對未來用于EAST裝置的中性束注入器(NBI)進(jìn)行性能測試并進(jìn)行相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)。低溫冷凝泵是為NBI提供穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)真空環(huán)境的重要部件，低溫泵的工作狀況直接關(guān)系到束的傳輸效率。結(jié)合后低溫冷凝泵的工作情況，對其進(jìn)行了熱負(fù)荷計(jì)算，并對影響熱負(fù)荷的一些因素進(jìn)行了分析，為后續(xù)的熱應(yīng)力分析和低溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1、引言

　　NBI是一套用于產(chǎn)生高能帶電粒子束并對其進(jìn)行中性化、最終將高能中性粒子束注入到聚變裝置內(nèi)用以加熱等離子體、驅(qū)動(dòng)等離子體電流的裝置。

　　圖1為NBI結(jié)構(gòu)示意圖。NBI由離子源、中性化室、偏轉(zhuǎn)磁鐵、低溫真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、測控系統(tǒng)等功能單元組成。

　　就低溫真空技術(shù)而言，要保證束的高效傳輸，需要有一個(gè)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)真空，低溫泵是為NBI提供真空環(huán)境的主要設(shè)備，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)認(rèn)為它的運(yùn)行情況直接關(guān)系到束傳輸效率的高低并影響到整個(gè)束線內(nèi)其他部件的使用壽命與使用安全。

　　NBI低溫泵是由液氮冷卻的防輻射擋板和液氦冷卻的起冷凝吸附作用的液氦板組成，分為前、后低溫冷凝泵，前低溫冷凝泵呈圓片狀，中間預(yù)留了束通道和功率測量靶的安裝位置；后低溫冷凝泵呈圓筒狀，承擔(dān)著57%左右的抽氣任務(wù)。

圖1 NBI結(jié)構(gòu)示意圖

2、結(jié)構(gòu)

　　后低溫冷凝泵是低溫系統(tǒng)的一部分，安裝在NBI真空室第一段內(nèi)，以30個(gè)改進(jìn)型的Santeler防輻射板鋁制拉伸件為基礎(chǔ)搭建起來，長1.633m。防輻射屏和液氦板分別采用液氮、液氦迫流冷卻，液氦板由鋼絲吊掛在防輻射屏上，鋼絲與防輻射屏和液氦板之間墊有陶瓷墊片，以此增加熱阻，減少導(dǎo)熱。液氮防輻射屏和液氦板的空間布置如圖1所示。在真空室與低溫冷凝泵之間有兩層間隔0.5mm的拋光鋁材制作的遮熱板，運(yùn)行時(shí)最外層真空室壁面溫度為室溫，此處取室溫300K、液氮防輻射屏77K、液氦冷凝板4.2K進(jìn)行計(jì)算分析。圖3是裝配完成后的后低溫冷凝泵示意圖。

1-液氮防輻射屏；2-液氦板；3-液氮通道；4-液氦管

圖2 液氮防輻射屏和液氦板的空間布局

圖3 后低溫冷凝泵示意圖

　　3、后低溫冷凝泵熱負(fù)荷分析

　　后低溫冷凝泵的熱負(fù)荷主要來自真空室的輻射、被冷凝氣體載熱等，為方便以后液氮、液氦耗量的計(jì)算及儲(chǔ)槽的選擇，下面分別分析計(jì)算液氮防輻射屏和液氦板的熱負(fù)荷。

　　3.1、液氮防輻射屏的熱負(fù)荷

　　后低溫冷凝泵液氮防輻射屏包裹著液氦板，既阻擋了室溫真空筒壁對液氦板的輻射，又可防止氣體分子直接與液氦板碰撞帶來的大量熱量產(chǎn)生。針對防輻射屏的工作環(huán)境，對其進(jìn)行熱負(fù)荷分析。

5、結(jié)論

　　(1)從上面的分析中可以看出，熱流最大處集中在液氮防輻射擋板的處和冷凝板的最外側(cè)，在降溫或低溫屏再生期間會(huì)對此處造成較大的沖擊，應(yīng)注意此處的變形。分析中僅考慮的是液氮擋板對冷凝板的輻射，沒有考慮其他熱載荷，在所有載荷的共同作用下，熱流和溫度分布都會(huì)有所變化。

　　(2)兩層遮熱板的溫度更接近于熱邊界(即真空室壁)。內(nèi)層遮熱板雖直接面向冷邊界，但是溫度更接近隔著外遮熱板的熱邊界。這意味著，若是多層絕熱，將其貼附在熱邊界的絕熱效果要好于將其貼附在冷邊界。

　　(3)經(jīng)計(jì)算，液氮系統(tǒng)的熱負(fù)荷為411.47W，可以為液氮儲(chǔ)罐選型提供依據(jù)。遮熱板對降低室溫對液氮系統(tǒng)的輻射熱效果顯著，輻射熱的大小與材料表面狀況及遮熱板層數(shù)有關(guān)，要降低室溫輻射，可以采用兩種方式:

　　①對真空室內(nèi)側(cè)、遮熱板表面、液氮防輻射屏表面進(jìn)行處理，降低表面發(fā)射率；

　　②在有限空間內(nèi)盡可能多的增加遮熱板層數(shù)。

　　為降低室溫到低溫壁面的導(dǎo)熱量，可以在保證吊掛件強(qiáng)度的提前下，增加吊掛桿件的長徑比。

　　(4)分析了液氦系統(tǒng)的熱量來源并對其進(jìn)行了量化，得到液氦系統(tǒng)的熱負(fù)荷為14.77W，為低溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及系統(tǒng)優(yōu)化提供參考，為熱應(yīng)力分析提供熱流邊界條件。