低溫冷凝氘氦分離裝置的研究

　　為了研究適用于托卡馬克氦質(zhì)譜檢漏的選擇性抽氫技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套氘氦分離裝置進(jìn)行氦氣和氘氣的低溫冷凝效應(yīng)研究。本文介紹了裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)裝置的真空性能進(jìn)行測(cè)試，并初步探索了有效冷凝氘氣的工作溫度、抽氣容量以及4He /D2混合氣體對(duì)冷凝效應(yīng)的相互影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，裝置有效冷凝氘氣的工作溫度范圍為6 ～ 12 K，抽氘氣容量約為10 ^{- 3} Pa·m³ ; 并且6 K 時(shí)4He /D2混合氣體中微流量的氦氣不會(huì)被氘氣裹挾吸附。氘氦分離裝置符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

　　核聚變裝置以氫同位素作為實(shí)驗(yàn)氣體，氦質(zhì)譜檢漏法采用氦氣作為示蹤氣體，由于氦原子( 4.0026 amu) 與氘分子( 4. 0282 amu) 的質(zhì)量數(shù)十分相近，使用氦質(zhì)譜檢漏儀進(jìn)行真空檢漏時(shí)將受到真空室壁釋放出的氫同位素的嚴(yán)重干擾。為此，需采用選擇性抽氣泵來(lái)抽除氫同位素，抑制氘本底以提高氦質(zhì)譜檢漏系統(tǒng)的靈敏度。國(guó)外對(duì)一些能用于氦檢漏儀的氫選擇抽氣新技術(shù)進(jìn)行了研究，包括超級(jí)滲透金屬薄膜，非蒸散吸氣劑泵和約10 K 裸低溫屏等。其中，10 K 低溫泵具有易維護(hù)的特點(diǎn)，被國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER) 檢漏技術(shù)采用。

　　低溫泵是利用低溫表面將被抽空間的氣體冷凝、吸附、捕集等來(lái)達(dá)到抽氣目的。目前，商用低溫泵多采用吸附劑來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不可凝氣體( He、H2、Ne)的抽除，真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.genius-power.com/)認(rèn)為這種泵對(duì)氦氣也有一定抽速，不能實(shí)現(xiàn)氘氣和氦氣的分離。為了研究低溫泵的選擇性抽氫性能，研制一套不帶吸附劑的低溫冷凝裝置———氘氦分離裝置，開(kāi)展氦氣和氘氣的冷凝實(shí)驗(yàn)研究，這對(duì)托卡馬克裝置真空檢漏有著重要的意義。

1、氘氦分離裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　用低溫介質(zhì)將表面冷卻，低溫表面就能大量冷凝沸點(diǎn)溫度比其溫度高的氣體。由于各種氣體沸點(diǎn)溫度不同，調(diào)節(jié)低溫表面的溫度可以實(shí)現(xiàn)不同氣體的抽除。氘氦分離裝置采用了制冷機(jī)低溫泵的設(shè)計(jì)方案，制冷機(jī)低溫泵結(jié)構(gòu)具有小型、自動(dòng)化、抽速大等特點(diǎn)。裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由殼體、低溫冷凝板、輻射屏蔽板、制冷機(jī)和溫控儀組成。制冷機(jī)冷頭、低溫冷凝板和輻射屏蔽板封裝在殼體內(nèi)。制冷機(jī)是兩級(jí)制冷，低溫冷凝板與制冷機(jī)的二級(jí)冷頭相連，作為主要抽氣部件; 輻射屏、障板與一級(jí)冷頭相連，避免冷凝板受到外界的直接熱輻射。

圖1 氘氦分離裝置示意圖

　　殼體采用通徑為Φ150 的雙開(kāi)口T 字型通道結(jié)構(gòu)，制冷機(jī)冷頭垂直安裝，水平方向?yàn)檫M(jìn)、出氣口，與其他管道或真空系統(tǒng)串聯(lián)。冷凝板通過(guò)位于T 型水平中平面的傳熱板與冷頭連接，由5 片平行的直徑為Φ120 的鍍亮鎳無(wú)氧銅板組成，并列安裝在傳熱板上。采用多片冷凝板可以增加冷凝面積從而提高冷凝效率。單片冷凝板結(jié)構(gòu)如圖2 所示，銅板中間開(kāi)口與傳熱板連接，板上開(kāi)若干通氣孔使未被冷凝的氣體通過(guò)，孔直徑Φ3，兩兩間隔10 mm; 每?jī)善�板的通氣孔錯(cuò)位排列，形成非直線型流導(dǎo)結(jié)構(gòu)。由于冷凝板布局復(fù)雜，需要通過(guò)模擬來(lái)獲得其流導(dǎo)幾率，本文中不作討論。冷凝板用輻射屏包圍起來(lái)，阻擋外來(lái)的熱輻射。在進(jìn)氣口端加上障板，主要用來(lái)冷凝水蒸汽、有機(jī)物等的氣體分子，并對(duì)未凝氣體進(jìn)行預(yù)冷，降低低溫負(fù)荷。障板的選擇基于對(duì)傳輸幾率和透射系數(shù)，氣體負(fù)荷和熱負(fù)荷的流向的綜合考慮，這里選擇傳輸幾率為0. 41 的百葉窗結(jié)構(gòu)。

　　在第一片冷凝板邊緣安裝溫度傳感器和加熱組件，由溫控儀對(duì)冷凝板溫度進(jìn)行采集和控制。溫度傳感器精度為0.1 K，最近和最遠(yuǎn)端的冷凝板溫度差小于1 K。加熱組件向冷凝板提供一個(gè)熱負(fù)載，溫控儀根據(jù)設(shè)定溫度值自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率的大小，維持冷凝板溫度穩(wěn)定。

圖2 單片冷凝板結(jié)構(gòu)示意圖

　　氣體從進(jìn)氣口端進(jìn)入氘氦分離裝置，依次經(jīng)過(guò)低溫障板、冷凝板，從出氣口端流出，整個(gè)過(guò)程中經(jīng)由低溫冷凝作用實(shí)現(xiàn)抽氣。裝置對(duì)氘氣的抽速由式(1) 確定。

　　式中T 為被抽氣體的溫度，M 為氣體的摩爾質(zhì)量，W為百葉窗障板的流導(dǎo)幾率，A 為冷凝板面積，α 為低溫泵的凝結(jié)系數(shù)，γ 為低溫泵的再蒸發(fā)幾率。

2、結(jié)論

　　利用低溫冷凝原理設(shè)計(jì)一套氘氦分離裝置開(kāi)展選擇性抽氫技術(shù)研究。氘氦分離裝置為制冷機(jī)低溫泵結(jié)構(gòu)，采用多片錯(cuò)孔的冷凝板形式以增加對(duì)氘氣的冷凝面積并使得未被冷凝的氦氣可以通過(guò)。設(shè)計(jì)溫控組件調(diào)節(jié)冷凝板溫度在要求的溫度范圍。以氘氦分離裝置為主體搭建氘氣、氦氣分離實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)本底真空度1 × 10 ^-5 Pa，啟動(dòng)氘氦分離裝置后真空度為8.7 × 10 ^-7 Pa。其有效冷凝氘氣的工作溫度范圍為6 ～ 12 K，抽氣容量為10 ^-3 Pa·m³。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示6 K 微流量氦氣不會(huì)被裹挾吸附。氘氦分離裝置實(shí)現(xiàn)了選擇性抽氣，符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，為進(jìn)一步開(kāi)展氦氣、氘氣的分離研究，提高托卡馬克裝置檢漏系統(tǒng)靈敏度研究等提供了基本條件。