中性束系統大抽速低溫泵的工作原理
目前，低溫泵廣泛用于受控核聚變，粒子加速器和現代半導體技術領域。在受控核聚變裝置的中性束系統中，由于離子源放電以及離子束的中性化過程需要較大流量的脈沖送氣，而中性化后的中性束又需要在高真空中傳輸，因此在中性化后的束線真空系統中需要一種高速的抽氣系統。針對NBI束線的高速抽氣，通常有兩種方案，一種是鈦泵，另一種是低溫泵。目前在HL-2A裝置的1兆瓦中性束束線上，盡管鈦泵運行方便可靠，但是人們已經發現鈦泵的容量和抽速是有限的，特別是對于長脈沖的運行，當脈沖時間超過十秒時這種缺陷就變得相當明顯。同時，鈦蒸汽對系統內的其它部件有較大的影響，甚至于造成損壞。
早在1977年前，低溫泵系統就已成功地用于幾個聚變實驗裝置(HVTS，TFTR)的中性束注入系統,當前對于托卡馬克中性束系統，長脈沖的運行已經成為了一個非常重要的要求。比如：在國際熱核聚變堆ITER的NBI上脈沖運行時間將大于1000s，2007年修改為穩態運行要求達到3600s。而在德國IPP中性束實驗平臺MANITU上長脈沖束引出實驗已經達到了這一要求。所有這些都要求具有可靠的穩定性和實際的可操作性和持續運行的大抽速真空泵，才能實現更多的中性束注入。目前，低溫泵已經被證明是一種性能優秀的抽氣裝置。即使是在真空室超壓、意外泄漏、或是暴露大氣時，泵也只是暫時失去其能力，一但泵經過再生狀態后又可以繼續使用；而且它不產生振動，也就是說不會干擾某些實驗，這也使得低溫泵成為在半導體和航空航天工業上的首選。當前，國外大型托卡馬克裝置日本JT-60U，美國DIII-D，德國ASDEX-U，英國JET等的中性束真空系統均采用了低溫泵。ITER中性束實驗裝置的概念和設計也是采用大抽速低溫泵為主泵。HL-2A中性束束線系統主體是從德國引進的,其真空室結構與現在運行于德國ASDEX- U NBI的真空室極為相似。結合低溫泵在德國的應用以及HL- 2A NBI的真空室結構，對改造與升級后的HL-2M的大功率長脈沖中性束真空系統，我們進行了高抽速低溫泵的初步設計。
通常情況，低溫泵是屬于氣體吸附真空泵，其工作范圍為0.1Pa ~10-9Pa之間。工作原理就是泄漏的氣體被吸附到冷面上，它主要的三種作用方式為：低溫冷凝，低溫吸附和低溫捕捉。如圖1 說明了其過程。為了達到高真空和超高真空，冷面上必須達到足夠低的溫度。依據冷卻系統的不同，又可以分為壓縮機式低溫泵，浴式低溫泵以及蒸發式低溫泵。
圖1 低溫原理示意圖
圖2 低溫泵原理示意圖
結合HL-2A NBI 真空室的結構，如圖2所示，在本設計中，低溫泵的主體基本上分為兩個溫度回路。首先，帶冷面的低溫回路，這其實就是泵的主體部分，其次，有較高溫度的輻射屏蔽回路部分。外回路屏蔽了整個寒冷的內回路。外回路，凝聚高沸點的氣體，例如水和油，從而節省了內回路的表面積和制冷能力，內回路主要作用于低沸點的氣體，如氮等。為了能對氫氣產生較好的抽氣效果，按照常規不銹鋼冷面溫度還必須低于3.8K。這就產生了對低溫的供應單位和低溫泵的泵體設計的強烈需求。根據現有真空室的結構，中性束系統所采用的低溫泵屬于巨型泵，其低溫面表面積達到了約3.4m2。
一般來講，任何在3.8K以下的低溫，這都是很難以實現的。活性炭在組合式的吸附泵上的使用，正是為了解決這個問題，在德國FZK技術物理研究院的低溫泵設計中就使用了活性炭涂層于低溫吸附面上的方法，活性炭涂層具有獨特的優勢使得吸附氫氣可以發生在溫度低于20K時就進行，這樣在具體的溫度應用范圍方面就有了更大的容量，同時對氣體也有更高的抽氣速度。實際低溫泵在冷頭部分涂以高吸附材料，除了活性炭還有沸石或氧化鋁。隨著吸附劑的飽和，吸附的效率將逐漸會下跌，但是可以通過加熱沸石等吸附材料除氣從而可以更新重復使用（最好在低氣壓的條件下進行）。另外，需要注意的是沸石材料的多孔結構導致的臨界溫度可能會限制能被加熱再生使用的最高溫度。對于活性炭達到飽和時，同樣泵也需要進行再生。再生時間依據不同類型的泵而不同。就通常的大型低溫泵而言其再生周期通常需要3~4h，一般在實驗結束后的夜間進行。
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