超导HWR腔垂直测试低温系统试验研究

金树峰 陈叔平 苏海林 白 峰

(1兰州理工大学石油化工学院 兰州 730050)(2中国科学院近代物理研究所 兰州 730050)

超导HWR腔垂直测试低温系统试验研究

金树峰1陈叔平1苏海林2白 峰2

(1兰州理工大学石油化工学院 兰州 730050)(2中国科学院近代物理研究所 兰州 730050)

中国科学院先导科技专项ADS(Accelerator Driven Suberitical,ADS)嬗变系统中超导HWR(half-wave resonator, HWR)腔垂直测试需低温系统维持4.2 K(液氦)的低温环境，低温系统降温过程包括氮气置换、液氮预冷、氦气置换和液氦冷却。通过实验建立了低温系统降温4个阶段不同测点温度随时间的变化规律，在此基础上，计算了液氦的消耗速率和杜瓦的静态热负荷，分析了低温系统在稳定工作状态时最佳的液氦补液时间间隔。结果表明：该低温系统满足超导HWR腔垂直测试需求，消耗液氮约175 kg、液氦约2 048 L，低温系统稳定工作时液氦体积消耗速率为32 L/h，杜瓦静态热负荷为21.36 W，液氦合理补液时间间隔为4 h，为后续超导HWR腔垂直测试提供了保障。

加速器驱动次临界系统 超导HWR腔 垂直测试 低温系统 液氦

1 引 言

加速器驱动的次临界系统(Accelerator Driven Subcritical System，ADS)是20世纪 90年代提出的，通过一台高功率的质子加速器产生的强流质子束流轰击设在次临界堆中的重金属散裂靶件，引起散裂反应，再通过核内级联和核外级联产生中子(一个质子引起的散裂反应可产生几十个中子)，以此来维持次临界反应堆运行或进行核废料处理[1]。2011年1月中国科学院批准中国科学院先导科技专项ADS嬗变系统作为A类战略性先导科技专项正式实施[2]，其中高功率质子加速器的研究主要由中国科学院近代物理研究所和中国科学院高能物理研究所承担。超导体因其特殊的性能被应用于加速器高频腔中，典型的有超导半波长谐振腔(half-wave resonator，HWR)，是一种通过纯铌部件焊接而成、外壁采用双层结构及内导体中空的同轴型谐振腔，具有结构紧凑、无横向束流偏转效应等优点，已经逐渐发展成为中低能直线加速器的主要加速结构之一[3-4]。低温垂直测试作为检验超导HWR腔性能的关键，是超导HWR腔研制中的重要组成部分。一方面可通过低温垂直测试评估超导HWR腔的性能，以确定其是否达到工程使用的要求[5]；其次超导HWR腔在加速器中经过长时间的运行之后可能出现性能有所降低的情况，此时需要对超导HWR腔进行性能测试，以了解超导腔内部的状况，寻找导致其性能降低的原因[6]。

超导HWR腔垂直测试的正常运行依赖于其低温系统的稳定性、安全性和适应性，低温系统可保证其处于超导状态，将试验所产生的热量带走。本文介绍超导HWR腔垂直测试低温系统降温过程原理，该过程包括氮气置换、液氮预冷、氦气置换和液氦冷却，且提出低温系统降温测试的试验方案。通过实验建立四个阶段不同测点温度随时间的变化规律，记录完成各个阶段所需时间和液氮及液氦的消耗量，以完善和优化该系统。此外，通过计算液氦的消耗速率和杜瓦的静态热负荷，拟得出超导HWR腔垂直测试在稳定工作状态时最佳液氦补液时间间隔。

2 低温系统及试验方案

2.1 低温系统原理

超导HWR腔垂直测试必须在低温下进行，其低温系统可实现超导HWR腔的降温，使其稳定工作于4.2 K温度的环境中。低温系统通过液氦浸泡的方法使超导HWR腔保持超导态，由于液氦汽化潜热小、价格昂贵，系统采用液氮预冷整个系统至77 K，然后排出液氮，之后使用高纯氦气将氮气置换干净，再注入液氦进行降温。具体降温过程可分为四个阶段：氮气置换、液氮预冷、氦气置换和液氦冷却，如图1所示。超导HWR腔垂直测试时需加盖水泥屏蔽板以屏蔽X射线，故采用液氦自动加注系统保证超导HWR腔始终处于试验所需要的低温状态。1号为自动补液口，2号为加压排气口，3号为手动注液口，4号为手动补液口，5号为真空口，6号为加压排氮口。

图1 超导HWR腔垂直测试低温系统降温原理图Fig.1 Schematic diagram of vertical test cryogenic system cooling of superconducting HWR cavity

氮气置换是将腔体所在杜瓦内空气用氮气置换的过程，首先使用干泵将垂直测试杜瓦抽真空至2×104Pa左右，再将高纯氮气充入杜瓦中至压力为1×105Pa左右，随后进行再次抽真空，之后再次注入氮气，如此循环6次，使得杜瓦中残存空气杂质为万分之一，以满足实验所要求的洁净环境。液氮预冷为降温过程，注入液氮后腔体和杜瓦温度由常温降至液氮温度77 K，通过控制增压速度以及低温阀开度实现注入液氮流量的大小。氦气置换为回温过程，首先充入氮气以增加杜瓦压力，同时辅以套筒底部加热器加热的方式排出液氮，之后抽真空且充入氦气，使得套筒内只剩余氦气。液氦冷却为最终降温过程，与液氮预冷过程类似，主要目的是将腔体温度由降至4.2 K。

4.2 K低温下，管路中的杂质容易冻结，从而在液氦冷却过程通入液氦时出现管路堵塞的问题，影响液氦的注入。解决方法为在管路连接过程中，管道中持续通入氦气以避免此问题的发生。若已发生，则断开管路，分段通入氦气，检测堵塞管段，进而通入氦气吹通管路。由于管路处于极低温，此过程可能不易实现，故需进行整个腔体的升温，再充入氦气使管道通畅。同时，为保持腔体始终没入液氦中，还需通过观察氦液位计读数、控制增压阀和低温阀开度控制液氦注入流速的大小，保证充入足够液氦以顺利完成后续超导HWR腔垂直测试。

2.2 试验方案

针对超导HWR腔垂直测试低温系统的4个降温阶段进行实验测试，以完善和优化该系统。实验过程中，垂直测试杜瓦中温度探头的分布如图2所示。

图2 垂直测试杜瓦中温度探头分布示意图Fig.2 Temperature probe destruction in vertical test dewar

I长液位计和II短液位计为两个量程不同的超导液位计，配合相应温度探头的温度示数来监测液氦面高度。其中，I长液位计从距腔体顶部下方210 mm处开始读数，当显示235 mm时，切换至II短液位计，主要依据短液位计示数来补充液氦。当短液位计示数为75 mm时，液氦面位于腔体上方100 mm处(6号探头位置)，此时开始补液；当显示546 mm时，液面位于内筒下方50 mm处(5号探头位置)，此时停止注液。

8号温度探头位于内筒最底部，用于监测内筒何时出现液体积存。7号温度探头位于腔体长度的2/3处，为加注液氮停止位置，主要是为了避免液氮进入腔体上部的凹孔内。6号温度探头位于腔体顶部100 mm处，为液氦面下限，当液氦液面降至此位置时，就必须开始补液，避免使腔体暴露在液氦面之上。5号温度探头位于内筒顶部下方50 mm处，此位置为液氦面上限位置，以防补液时液氦溢出造成浪费。1、2、3、4号温度探头作为备用探头，也可以用来观察不同位置处的温度变化，其中3号温度探头位于腔体上部凹孔上沿。

测试使用的温度探头有两个型号，分别是：CX-1010系列，为电阻式探头，测量范围为2—325 K；DT-470系列，为二极管型探头，测量范围为1.4—475 K。采用2个型号为218S的温度控制器，分别在两台计算机上采集相应的温度信号。安装过程中使用了3个航空插头，分别将温度探头的信号线接在杜瓦的大法兰上，且利用低温导热脂将探头包裹，并用铝箔胶带将探头固定在相应位置，且在胶带和探头的粘贴处用针刺小孔，以便于排除里面的空气，防止降温过程中温度探头脱落。此外，运用Labview编写程序，使温度控制器获取的信号显示于Labview界面上，不仅可以直观的观察温度变化曲线，而且可以实时保存数据。

3 实验结果及分析

3.1 氮气置换过程

图3为两次抽气、充气过程的曲线图，横坐标为时间，min；纵坐标为低温垂直测试杜瓦真空度，Pa。其中(a)、(b)分别对应两次抽气、充气过程。从(a)图可以看出，两次抽气过程抽气速度基本保持一致，且初始阶段抽气速度很快，直至真空度为2×104Pa时速度渐降，曲线趋于平缓；由(b)图可以观察到，在进气阀开度的控制下，由于杜瓦内压力远远低于大气压，几分钟便可完成充气过程，充气速度基本呈线性变化。此过程结束后，一切就绪，开始准备注入液氮。

图3 氮气置换过程Fig.3 Nitrogen replacement process

3.2 液氮预冷过程

液氮预冷过程采用喷淋方式，通过液氦输液口注入液氮，为避免液氮喷淋到超导腔凹孔内而无法排除，约20分钟后更换至液氮输液口继续注入液氮。液氮预冷过程共计耗时33 min，消耗液氮175 kg。图4为液氮输液口注液时各个测点温度变化曲线。

图4 液氮输液口注液时各个测点温度变化曲线Fig.4 Various measuring points temperature variation with time during dispensing through liquid nitrogen infusion nozzle

从图4可看出，通过液氮输液口注入液氮时，8号测点温度始终为77 K，表明杜瓦内筒底部已经出现积液。由于采用液氦输液口注入液氮时液氮自上而下喷淋，致使初始时刻内筒上方的测点温度低于内筒下方的测点温度。当液氮液面距温度探头极近时，测点的温度急剧降低，约680 s后，液面浸没7号测点处温度探头，停止注液，1、2、7号测点温度降至77 K。

停止注液后，为使腔体未浸没部分及其周围环境温度降低，需进行液氮浸泡，浸泡约8.5 h。图5为液氮浸泡过程中各个测点温度变化曲线，由图可看出，内筒未被浸没部分3、4、5、6号测点处温度整体呈下降趋势，且由于腔体热传导，位于腔体凹孔上沿的3号测点和腔体顶部的4号测温点温度下降相对较快。7号测点位于液面处，0.5 h后，由于液面降低，温度逐渐上升。

图5 液氮浸泡过程中各测点温度变化曲线Fig.5 Various measuring points temperature variation during liquid nitrogen immersing

3.3 氦气置换过程

氦气置换包括排出液氮过程和抽空过程，采用充入氮气增压排出液氮，然后通过真空泵抽内筒至真空度600 Pa，再充入氦气使杜瓦内只剩余氦气，此过程耗时112 min。图6为排出液氮过程各个测点温度变化曲线。

图6 排出液氮过程各个测点温度变化曲线图Fig.6 Various measuring points temperature variation during liquid helium discharge

图7 抽空过程温度变化曲线Fig.7 Various measuring points temperature variation during evacuation

由图6可知，氦气置换过程中，各个测点温度有升有降，总体呈现上升趋势。由于液氮泄漏致使停止排液，温度下降，故导致图中虚线1处所示现象。1、2、8号测点温度有微小幅度上升，基本维持在80 K左右，5、6号测点温度上升速度最快，约升高15 K。

当管路无液氮排出时，采用真空泵抽真空，直至内筒真空度为600 Pa时充入液氦，使得套筒内只剩余氦气。抽真空针对所有连接管道进行抽空，如氦气回收管道等，因此花费较长时间。图7为抽空过程温度变化曲线，由图可看出，抽空过程中各测点温度整体有小幅下降，初始阶段由于停止了抽空，故温度变化较平稳；虚线1处为真空泵开启抽真空，由于抽速高，温度瞬间降低；虚线2处由于连接回收管道的排气阀的开启，出现小幅温升现象；虚线3处由于气袋入口阀的开启，内筒压力升至1.2×105Pa，继续抽空，致使整体温度呈现较大的上升和下降。

3.4 液氦冷却过程

氦气置换结束后，进行液氦冷却即直接向内筒注入液氦，使内筒温度维持在4.2 K，以满足垂直测试实验环境，此过程共计耗时355 min。输入液氦前内筒各个测点的温度如下表1所示。

表1 输入液氦前内筒各个测点的温度Table 1 Various measuring points temperature of inner tube before liquid helium injection

液氦冷却温度范围大致为120—4.2 K，由表1中T3的温度可知，腔体内部已冷却至100 K以下。

图8为液氦加注过程中各个测点的温度变化曲线，由图可看出，液氦冷却过程中，各测点温度变化趋势基本一致。由于降温过程中气袋过于鼓胀，暂停输液， 导致(a)图中1处温度发生回升并持续一段时间的现象。静待气袋中的气量减少至一定程度后，继续注液氦，整体温度开始下降。2处空白部分是由于停电造成操作中断所致，约130 min后电力恢复，各个测点温度均有不同的回升，如2处曲线放大图(b)所示，约204 min后恢复注液，温度开始下降。3处开始采用三罐液氦杜瓦同时注液，由于输液管中有常温氦气存在，使得5号测点温度短暂回升，温度较明显变化。355 min后各测点温度均达到垂直测试要求温度4.2 K。

图8 液氦冷却过程测点温度变化Fig.8 Various measuring points temperature variation during liquid helium cooling

3.5 杜瓦静态热负荷

液氦冷却过程结束后在无任何操作的情况下，记录氦液位计示数，得出液氦液位高度随时间变化曲线，如图9所示。进而拟合所采集的数据点可得出液氦的损耗以及杜瓦的静态热负荷。

图9 液氦液位高度随时间变化曲线Fig.9 Relationship between liquid helium level and time

由图9可看出，液氦液位高度h随时间t基本呈现线性变化，拟合直线方程为h=209.58-2.0t。根据拟合直线，可估算液氦的损耗：当t=0min时，液氦液位高度h=209.58 mm；t=55 min时，h=99.17mm，则液位差△h=110.42 mm，液氦消耗速率为v=△h/55=2 mm/min=120 mm/h。同时，根据内筒尺寸可得出1 mm高度对应液氦体积为0.264 L，则由液氦消耗速率折算得液氦体积消耗约为32 L/h，且根据超导HWR腔的正常工况(1.2×105Pa，4.4 K)计算得1 W漏热量对应液氦蒸发量为1.498 L/h，则杜瓦的静态热负荷为21.36 W。

另外，通过液氦消耗速率可估算出液氦的补液时间间隔，以合理设定补液速度，满足垂直测试需求。如图2所示，腔体顶部距离套筒顶部预定的液氦液面为575 mm，设定的补液液位为腔体顶部100 mm处(6号测点位置)，即消耗液面高度为475 mm的液氦所需时间为补液时间间隔，液氦液面下降速率平均为120 mm/h，则需要时间约为4 h。

4 结 论

超导HWR腔垂直测试低温系统降温过程包括氮气置换、液氮预冷、氦气置换及液氦冷却，最终使系统达到垂直测试4.2 K低温环境。该测试实验顺利完成且结果满足超导HWR腔垂直测试需求，其中氮气置换过程几分钟便可完成，且充气速度基本呈线性。液氮预冷过程共计耗时33 min，消耗液氮175 kg，静止后腔体温度从200 K降低为110 K。氦气置换过程耗时112 min，初始阶段各个测点温度呈现上升趋势，内筒抽空至600 Pa时温度整体小幅降低。液氦冷却过程中，整体温度变化趋势一致，消耗液氦2 048 L，耗时355 min后各测点温度整体达到超导HWR腔垂直测试温度4.2 K。低温系统试验的顺利完成为之后超导HWR腔垂直测试提供了保障。

此外，液氦冷却过程结束后在无任何操作的情况下，通过氦液位计示数的记录数据计算液氦体积消耗速率为32 L/h，杜瓦的静态热负荷为21.36 W。通过液氦消耗速率得出液氦的补液时间间隔为4 h，为设定合理补液速度提供理论依据。

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Experimental investigation of vertical test cryogenic system for superconducting HWR cavity

Jin Shufeng1Chen Shuping1Su Hailing2Bai Feng2

(1College of Petrochemical Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，Lanzhou，China)(2Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730050，Lanzhou，China)

The vertical cryogenic test system of HWR cavity for China ADS need to maintain the liquid helium temperature by cryogenic system. The cooling process of cryogenic system consists of nitrogen replacement, liquid nitrogen precooling, helium replacement and liquid helium cooling. The temperature variation with time of various measuring points in four cooling phase of the cryogenic system were established by experiment. The liquid helium consumption rates and the static heat load were calculated, and the best time interval of helium supplement for cryogenic system in steady state was obtained. The liquid nitrogen consumption and the liquid helium consumption in experiment was 175 L and 2 048 L respertively. In the case of cryogenic system stable operation, the liquid helium volume consumption rate is 32 l/h, the Dewar static heat load is 21.36 W and the reasonable time interval of helium supplement is 4 h, meeting the demand of vertical test of HWR cavity.

accelerator driven sub-critical system; HWR cavity; vertical test;cryogenic system;helium

2010-04-11；

2016-06-06

金树峰，男，26岁，博士研究生

TB65,TB661

A

1000-6516(2016)03-0063-06