一种具有类黑体辐射腔的内置式抽氢低温泵的制作方法

本发明属于核聚变真空获得，具体涉及一种具有类黑体辐射腔的内置式抽氢低温泵。

背景技术：

1、中性束注入加热是受控核聚变实验中非常有效的辅助加热方式，其原理是气体在放电室中经弧流或射频放电，电离形成等离子体，而后被引出-加速系统引出形成离子束流，经中性化器与气体靶碰撞反应后转化为中性粒子束流，未被中性转化的离子将被偏转磁体偏转到离子吞噬器上，已中性转化的高能粒子则不受磁场影响，注入到托卡马克中心等离子体，起到加热作用。这个过程中有三处会产生气体负载，分别是离子源放电室，中性化器和离子吞噬器，而已经转化为中性的粒子束流虽不受磁场影响，但传输路径的气体密度会使其发生逆变化，即再电离损失。因此我们需要将中性束注入器真空室的真空度控制在10-3～10-4pa量级，为中性束的传输创造一个干净的通道。

2、为提升中性束注入器真空室的真空度，大抽速的低温泵是首选设备。但随着磁约束核聚变实验的不断发展，中性束注入器的规模不断增大，对抽速的需求也是不断的提升，对氢气的抽速要求每秒几十万升乃至数百万升，但留给低温泵的空间却十分有限。采用市场已有的低温泵要么不能满足注入器对抽速的需求，要么安装空间有限。目前中性束注入器的低温泵主要采用结构复杂的非标迫流低温泵，由外部的制冷系统提供液氦制冷，达到抽气效果。

3、主要缺点是，1)结构复杂。由于真空室的空间有限，为实现对氢气的大抽速，其结构设计较为复杂，管路多，漏热大，降温时间长，加工制造难度大，特别是安装后内部无法维护。2)对温度要求高。中性束注入器真空室内气体负载为氢气及其同位素，其三相点为13.95k，要实现对氢气的大抽速，吸附板的温度需要低于该温度，对温度的依赖性高。3)成本高。首先是吸附板结构复杂，加工制造难度大导致制造和维护费用高，其次大型氦制冷系统建设费用高，占地面积大，运行时自身要消耗大量液氮，还需要定期补充氦气。

技术实现思路

1、本发明的目的是为中性束注入器提供一种具有类黑体辐射腔的内置式抽氢低温泵装置及技术，首先是优化泵体结构，在有限的空间里解决辐射屏蔽板的流导和热负荷之间的矛盾，有效提高抽速，其次是突破高于三相点对氢气实现大抽速，再次是通过合理的表面处理工艺降低热负荷。

2、为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：

3、提出一种具有类黑体辐射腔的内置式抽氢低温泵，包括安装法兰、及安装在其上的制冷机、液氮输入管、氮气回气管、前辐射屏蔽板、背辐射屏蔽板；前辐射屏蔽板横截面设计成v形，尖头朝向气流入口；背辐射屏蔽板横截面设计成凹形，开口与前辐射屏蔽板v形开口相对且具有间隔，构成一个类黑体辐射腔；制冷机冷头位于类黑体辐射腔中。前辐射屏蔽板设计为一个v形结构，背辐射屏蔽板设计为一个凹形结构，二者构成一个类似黑体辐射腔，提升气体分子碰撞冷凝吸附板的几率。类黑体辐射腔的内置式抽氢低温泵，应用于中性束注入加热实验，获得对氢气的大抽速。

4、作为优选方案，前辐射屏蔽板和/或背辐射屏蔽板面向外界的表面镀镍抛光，表面发射率小于0.05；面对内侧的表面用+200目的活性炭粉兑有机溶液喷涂，使其黑化，表面发射率大于0.95。

5、作为优选方案，前辐射屏蔽板由两片无氧铜片按120°夹角焊接在不锈钢管上而成，不锈钢管中由液氮输入管提供液氮制冷。

6、作为优选方案，冷头设置有一级冷头和二级冷头；背辐射屏蔽板材料为无氧铜，直接安装于一级冷头上。

7、作为优选方案，还包括冷凝吸附板，冷凝吸附板设计成v形，且尺寸小于前辐射屏蔽板，平行地置于前辐射屏蔽板后，安装于二级冷头上。冷凝吸附板设计为一个略小于前辐射屏蔽板的v形结构，按相同朝向置于前辐射屏蔽板开口处，使得后者能完全屏蔽外界热辐射，又实现了吸附面的增加，材料为无氧铜，由g-m制冷机二级冷头制冷。

8、作为优选方案，冷凝吸附板通过无氧铜连接块与二级冷头连接，之间辅以铟片导热。

9、作为优选方案，冷凝吸附板两侧通过低温胶粘接附着有一层椰基微孔活性炭，椰基微孔活性炭孔隙直径小于2nm，微孔率大于90％。

10、作为优选方案，冷凝吸附板、前辐射屏蔽板和背辐射屏蔽板组成一个吸附单元，多个吸附单元并列布置构成吸附阵列。

11、作为优选方案，制冷机选用g-m制冷机，制冷机数量根据制冷量与热负荷来匹配。

12、作为优选方案，安装法兰背面设置有加强筋，加强筋于纵向和横向垂直交叉布置。

13、综上所述，本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

14、1)泵体内置于真空室内，减少了气体流阻，实现大抽速；

15、2)冷凝吸附板设计为略小于前辐射屏蔽板的v形结构，即有效的被前辐射屏蔽板保护，又增大了吸附面积，达到提升抽速的目的；

16、3)背辐射屏蔽板设计为凹形钣金结构，和前辐射屏蔽板构成一个类似黑体辐射腔，增大气体被吸附的几率；

17、4)吸附阵列结构简单，只有前辐射屏蔽板有制冷剂管道，大大减少了焊接漏点的几率。冷凝吸附板和背辐射屏蔽板通过螺栓与制冷剂冷头连接，便于后期维护；

18、5)液氮预冷，多台制冷机联合制冷，冷凝吸附板降温快，温度梯度小；

19、6)椰基微孔活性炭的运用，在氢气三相点温度以上对氢气获得大抽速；

20、7)系统构成简单。低温泵系统由泵体、g-m制冷机和液氮系统构成，系统集成度高，可更换率高，维护难度小，成本支出少。

技术特征：

1.一种具有类黑体辐射腔的内置式抽氢低温泵，其特征在于：包括安装法兰(4)、及安装在其上的制冷机(2)、液氮输入管(5)、氮气回气管(1)、前辐射屏蔽板(6)、背辐射屏蔽板(7)；前辐射屏蔽板(6)横截面设计成v形，尖头朝向气流入口；背辐射屏蔽板(7)横截面设计成凹形，开口与前辐射屏蔽板(6)v形开口相对且具有间隔，构成一个类黑体辐射腔；制冷机(2)冷头(9/10)位于类黑体辐射腔中。

2.根据权利要求1所述的具有类黑体辐射腔的内置式抽氢低温泵，其特征在于：前辐射屏蔽板(6)和/或背辐射屏蔽板(7)面向外界的表面镀镍抛光，表面发射率小于0.05；面对内侧的表面用+200目的活性炭粉兑有机溶液喷涂，使其黑化，表面发射率大于0.95。

3.根据权利要求1或2所述的具有类黑体辐射腔的内置式抽氢低温泵，其特征在于：前辐射屏蔽板(6)由两片无氧铜片按120°夹角焊接在不锈钢管上而成，不锈钢管中由液氮输入管(5)提供液氮制冷。

4.根据权利要求1或2所述的具有类黑体辐射腔的内置式抽氢低温泵，其特征在于：冷头(9/10)设置有一级冷头(10)和二级冷头(9)；背辐射屏蔽板(7)材料为无氧铜，直接安装于一级冷头(10)上。

5.根据权利要求4所述的具有类黑体辐射腔的内置式抽氢低温泵，其特征在于：还包括冷凝吸附板(8)，冷凝吸附板(8)设计成v形，且尺寸小于前辐射屏蔽板(6)，平行地置于前辐射屏蔽板(6)后，安装于二级冷头(9)上。

6.根据权利要求5所述的具有类黑体辐射腔的内置式抽氢低温泵，其特征在于：冷凝吸附板(8)通过无氧铜连接块(11)与二级冷头(9)连接，之间辅以铟片导热。

7.根据权利要求5或6所述的具有类黑体辐射腔的内置式抽氢低温泵，其特征在于：冷凝吸附板(8)两侧通过低温胶(12)粘接附着有一层椰基微孔活性炭(13)，椰基微孔活性炭(13)孔隙直径小于2nm，微孔率大于90％。

8.根据权利要求1所述的具有类黑体辐射腔的内置式抽氢低温泵，其特征在于：冷凝吸附板(8)、前辐射屏蔽板(6)和背辐射屏蔽板(7)组成一个吸附单元，多个吸附单元并列布置构成吸附阵列。

9.根据权利要求8所述的具有类黑体辐射腔的内置式抽氢低温泵，其特征在于：制冷机(2)选用g-m制冷机，制冷机数量根据制冷量与热负荷来匹配。

10.根据权利要求1所述的具有类黑体辐射腔的内置式抽氢低温泵，其特征在于：安装法兰(4)背面设置有加强筋(3)，加强筋(3)于纵向和横向垂直交叉布置。

技术总结
本发明涉及核聚变真空获得技术领域，提出的目的是为中性束注入器提供一种具有类黑体辐射腔的内置式抽氢低温泵装置及技术，首先是优化泵体结构，在有限的空间里解决辐射屏蔽板的流导和热负荷之间的矛盾，有效提高抽速，其次是突破高于三相点对氢气实现大抽速，再次是通过合理的表面处理工艺降低热负荷。

技术研发人员：杨宪福,耿少飞,周博文,魏会领
受保护的技术使用者：核工业西南物理研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22