給出了1.8 K 常壓超流氦低溫系統(tǒng)的工作原理。對HeⅡ腔的漏熱進行了分析和計算，包括環(huán)氧隔熱板、安全閥、支撐桿以及測量線與電流引線底座同HeⅠ腔的導熱，真空夾層之間的殘余氣體導熱以及HeⅡ腔內(nèi)杜瓦與其外周冷屏的輻射換熱。根據(jù)漏熱值，對所需真空泵的抽速進行了計算，同時給出了預冷與節(jié)流相結合獲取1.75 K 超流氦方案物理過程的溫-熵圖。

引言

　　中國科學院等離子體物理研究所超導電工實驗室設計用于ITER( 國際熱核聚變實驗堆裝置) CC( 校正場線圈) 超導測試裝置的背景場磁體低溫杜瓦原本用于法國TORUS II Supra 托卡馬克裝置低溫超導導體性能測試，2002 法國將其贈送給中國科學院等離子所，等離子所隨后對整個裝置進行了低溫系統(tǒng)、磁體電源、數(shù)據(jù)測量與采集、磁體控制和保護等方面的改造， 2009 年進行低溫通電實驗時采用4.2 K 液氦浸泡冷卻背景磁場，在4.2 K 液氦浸泡冷卻能夠產(chǎn)生7 T 的背景場，為了滿足今后超導導體測試需要更大背景場的要求，需要采用1.8K 超流氦浸泡冷卻背景磁體。

　　背景場磁體杜瓦結構圖如圖1 所示，杜瓦本體包含HeⅠ、HeⅡ兩個低溫腔，當磁體采用4.2 K 液氦浸泡冷卻時，兩個腔溫度一樣都是4. 2 K 液氦; 當磁體為了獲得更高的磁場強度需要使用1. 8 K 常壓( 標準大氣壓) 超流氦浸泡冷卻時，HeⅠ、HeⅡ腔分別裝有4.2 K 液氦和1.8 K 超流氦，此時兩個腔體之間必須用隔熱板分開。

圖1 背景場磁體杜瓦結構圖

　　1. 真空泵　2. 飽和HeⅡ液面計　3. 逆流熱交換器　 4. 節(jié)流膨脹閥　5. 輸液閥　6. 杜瓦容器　7. 磁體安全閥　8. 頸部熱交換器　9. 安全冷閥　10. 緊急安全閥　11. 絕熱隔板　12. HeⅡ熱交換器　13. 超導磁體線圈　14. 不銹鋼內(nèi)杜瓦

1. 8 K 常壓超流氦低溫系統(tǒng)

　　1. 8 K 常壓超流氦低溫系統(tǒng)主要由真空泵、HeⅡ液面計、逆流熱交換器、節(jié)流膨脹閥、HeⅡ熱交換器等組成，結構如圖2 所示。當杜瓦工作在4.2 K 溫區(qū)時，HeⅡ制冷系統(tǒng)不參與運行，磁體線圈直接由HeⅠ浸泡冷卻; 當磁體需要工作在1.8 K 溫區(qū)時，HeⅠ腔的HeⅠ依次經(jīng)過HeⅡ制冷系統(tǒng)的逆流熱交換器、節(jié)流膨脹閥制冷后得到1.75 K 的HeⅡ; 1.75 K的HeⅡ在HeⅡ熱交換器中吸熱，將HeⅡ腔中的HeⅠ逐步冷卻為1.8 K 的超流氦。與此同時在真空泵的作下，HeⅡ熱交換器內(nèi)的1.75 K 液氦不斷蒸發(fā)制取冷量，同時蒸發(fā)的低溫氦回氣經(jīng)過逆流熱交換器時又將HeⅠ預冷，從而完成了整個由HeⅠ到HeⅡ的制冷循環(huán)。

圖2 超流氦制冷系統(tǒng)結構圖

真空泵抽速計算

　　真空泵是獲得超流氦的關鍵設備，超流氦低溫循當超流氦的質量流量小于20 g /s 時，常采用室溫泵作為超流氦的流動動力，而當超流氦的質量流量超過100 g /s 時，通常采用低溫壓縮機構成的超流氦低溫循環(huán)。本設計選用室溫泵，即預冷換熱器中出來的氦氣通過加熱裝置，加熱到常溫( 300 K) 后，再經(jīng)過室溫泵將其抽出。HeⅡ的冷卻能力和真空泵的抽速有關，抽速越快則超流氦可以提供的制冷量越大。一般來講，真空泵的抽速越大，則相應的成本也會增加。為了降低真空泵組的成本，在滿足系統(tǒng)真空度的條件下，對于該低溫系統(tǒng)可以通過降低氦氣流量來實現(xiàn)該目標。

　　圖5 為超流氦循環(huán)過程中，HeⅡ換熱器中獲得1.75 K 超流氦所采用的帶有預冷的節(jié)流過程的溫-熵圖，狀態(tài)3、4 對應的熱力參數(shù)：

圖5 預冷節(jié)流方式獲取1.75 K 超流氦

　　6 點：T = 1.75 K，P = 1.37 kPa，h6 = 705.6 J /kg( 飽和超流氦)；4 點：T = 1.75 K，P = 1.37 kPa，h4 =23 990 J /kg( 飽和氦蒸氣) 。飽和超流氦在吸收熱量后轉變?yōu)槔涞暮ふ魵猓�汽化潛熱：r = h4 - h6 = 23 990- 705.6 J /kg = 23 284.4 J /kg = 23.28 J /g。通過節(jié)流閥獲得的超流氦的液體率約為72%，當系統(tǒng)穩(wěn)定后，HeⅡ腔的漏熱為1.655 W，

　　在計算漏熱值的基礎上乘以安全系數(shù)2 來選用計算真空泵的抽速。所以，通過J-T 閥的飽和超流氦其提供的冷量為3.31 W。

結論

　　針對用于ITER( 國際熱核聚變實驗堆裝置) CC( 校正場線圈) 超導測試裝置的背景場磁體低溫杜瓦給出了1.8 K 常壓超流氦低溫系統(tǒng)部分工作原理，就設備的尺寸，對1.8 K 超流氦循環(huán)部分的漏熱做了分析和計算，并通過漏熱值計算了所需真空泵的抽速，對后期真空泵的選型提供參考。環(huán)中真空泵類型主要有液環(huán)泵、羅茨泵、旋片泵等。