CAEP FEL-THz2K低温系统氦气循环利用研究

中国工程物理研究院(CAEP)2K低温系统中,要对低纯度氦气进行回收和除杂。基于高压低温冷凝和吸附的方法,建成了一套氦气回收与纯化循环利用装置,单次回收低纯度氦气量为20Nm~3,低纯度氦气储存能力为1000Nm~3,纯化能力为20Nm~3/h,高纯氦气储存能力为3000Nm~3,能将粗氦气纯度从98%提升至优于99.9995%。实际运行表明,处理后的氦气纯度满足低温系统要求,较好地实现了氦气循环再利用,降低了系统对外部氦源补充的依赖。     

ICF用低温冷冻靶制备系统设计

ICF(惯性约束聚变)点火用低温冷冻靶①,需要在常温下,把气体高压渗透入直径1mm以内,厚度um数量级的靶球体内,最终压力:100MPa～150MPa,再由制冷系统降温至20K以下,此过程中,靶球的温度场也降温至20K以内.降温及清洗结束后,由送靶机构取出用于分层和物理诊断等.本装置实现冷冻靶的气体渗透充填、冷却降温、分层时的精确控温等过程.     

用于量子电阻测量超导磁体及低温系统的研制

介绍一种用于量子电阻测量的超导磁体及低温系统设计和研制.采用一台G-M制冷机为冷源,一部分冷量采用传导冷却的方式冷却超导磁体,另一部分冷量用于预冷氦气,然后通过毛细管节流降温达到超低温,最终实现8T强磁场和1.5K极低温的应用环境.     

超导同步调相机低温系统设计与试验研究

超导同步调相机是一种用于电力系统的新型动态无功补偿设备, 具有高效、 快速响应等优点. 本文描述了10 Mvar 高温超导同步调相机的总体结构, 励磁绕组采用 YBCO 高温超导带材绕制而成, 通过循环的20 K 冷氦气进行冷却. 低温系统主要包含3 台制冷机、1 台氦气泵、 冷头换热器及其他辅助设备, 通过旋转密封装置与电机转子部分进行连接. 本文重点介绍了低温系统的设计方法, 包括转子、 绝热力矩管和电流引线等关键部位漏热和氦气管路流阻的计算方法, 并通过多次降温试验进行实验验证. 通过对带负载试验结果分析得出: 存在最优的氦气压力和氦气泵转速运行参数, 使得电机转子部分获的最佳冷却效果. 通过与300 kvar 高温超导同步调相机的耦合测试发现, 所研制的低温系统可将转子系统冷却至22.4 K, 满足调相机应用中对低温环境的要求.     

低温恒温器设计

文中所述低温恒温器(cryomodule)主要用于近物所ADS注入器Ⅱ超导直线段,可以将粒子能量加速到10MeV。该低温恒温器包含β=0.09的162.5MHz HWR型超导高频腔、超导螺线管及cold BPM等冷质量部件,工作温度为4.2K,工作压力为1.2bar,冷却介质为液氦/氦气。超导腔及螺线管采用同一冷却回路,低温恒温器的设计满足超导腔的使用要求。     

AMS-02超导磁体300K-80K受控冷却系统的工艺流程设计

300K-80K受控冷却系统是AMS-02探测器的低温地面支持设备(CGSE)系统中的重要子系统,其主要作用是实现AMS-02磁体从常温(约300K)到接近液氮温度(约80K)的冷却。对该系统进行了工艺流程设计,在恒温器内设置多个调节阀和温度、压力、流量检测元件,通过自动调节手段控制经该系统冷却后前往磁体的氦气的温度和流量。同时介绍了该系统的组成及低温恒温器、HX1、HX2和HX3的结构和特点。     

CAEP FEL-THz低温系统氦气纯化方法研究

鉴于氦的稀缺性,中国工程物理研究院高平均功率太赫兹大型科研装置(CAEP FEL-THz)低温系统中,必须除去回收粗氦中的杂质,以实现循环再利用。文中通过对常规氦气分离方法的比较和对低温系统低纯度氦气中所含杂质成分的分析,提出了一种基于高压低温冷凝分离和吸附的氦气纯化方法,旨在将低纯度氦气的纯度提升至满足低温系统使用的要求。据此,初步设计了一套氦气纯化系统,介绍了其工艺流程和主要部件。     

上海光源超导波荡器降温特性实验研究

为解决超导波荡器磁体采用G-M制冷机传导冷却温度不均匀的问题,采用以G-M制冷机为冷源、将氦为传热工质冷却超导波荡器。通过采用两台E415制冷机预冷氦气并积液冷却磁体的方式,将氦槽内压力调节至1.6 bar—1.9 bar的工况下,可在制冷机开启55 h后将磁体从室温冷却至4.5 K,在75 h后在氦槽内完成积液50%的目标,并在87 h后将磁体冷却至3.8 K下稳定,磁体与冷头的温差约0.3 K,验证了系统利用氦气冷凝积液作为传热工质并冷却超导波荡器磁体的功能。     

上海光源超导波荡器降温特性实验研究

为解决超导波荡器磁体采用G-M制冷机传导冷却温度不均匀的问题,采用以G-M制冷机为冷源、将氦为传热工质冷却超导波荡器。通过采用两台E415制冷机预冷氦气并积液冷却磁体的方式,将氦槽内压力调节至1.6 bar—1.9 bar的工况下,可在制冷机开启55 h后将磁体从室温冷却至4.5 K,在75 h后在氦槽内完成积液50%的目标,并在87 h后将磁体冷却至3.8 K下稳定,磁体与冷头的温差约0.3 K,验证了系统利用氦气冷凝积液作为传热工质并冷却超导波荡器磁体的功能。     

深低温吸附材料分析表征系统的研制

为了研究某些吸附材料在4.2K条件下的吸附分离特性,研制了一套深低温吸附材料分析表征系统;该系统采用4.2K G-M双级制冷机作为冷源,利用高纯氦气作为蓄冷导热介质,实现了较高的控温精度和较宽的温度使用范围;同时,采用了样品腔悬吊在氦气导热腔中的结构形式,极大的方便了吸附材料的拆装与更换。     

铑铁电阻温度计低温性能测试

针对一种商用铑铁电阻温度计进行了低温下的工作性能研究。对传感器进行了常温和液氮温度下的两点校正,校正结果验证了厂商提供的电阻温度拟合关系式。另外,还对该铑铁传感器连续进行了三次热循环实验。实验前,传感器的液氮温度稳定性优于20mK,而在实验后其温度稳定性优于30mK,满足工程应用的要求。所有实验结果表明,该铑铁电阻温度计性能可靠稳定,为其在超导磁体系统中的进一步应用提供了基础。     

EAST低温系统又一新降温模式

EAST氦低温系统是EAST(Experimental Advanced Super-conducting Tokamak)先进超导托卡马克实验装置重要子系统之一;到目前为止,EAST已经成功进行了6次降温实验。第四次降温实验于2008年8月完成,这次降温实验与前几次降温实验很不相同。前3次的降温实验冷却磁体依赖四台透平膨胀机(透平A、B、C和D),透平B、C和D获得LHe去冷却PF和TF磁体、5&8对电流引线和busline到相应的温度。透平A用于制取80K的冷量冷却外冷屏。而此次降温是采用3台透平膨胀机(透平A、B和C),透平B和C与节流阀获得LHe去冷却PF和TF磁体、5&8对电流引线和busline到相应的温度。透平A还是用于制取80K的冷量冷却外冷屏。此次整个降温过程大概用了20天,比以前多耗时25%;文中给出了透平的启动过程、磁体冷却过程和一些操作经验。     

Kerr effect in liquid helium at temperatures below the superfluid transition

The electro-optical Kerr effect induced by a slowly varying electric field in liquid helium at temperatures below the lambda point is investigated. The Kerr constant of liquid helium is measured to be (1.43+/-0.02(stat)+/-0.04(sys)) x 10(-20) (cm/V)(2) at T=1.5 K. Within experimental uncertainty, the Kerr constant is independent of temperature in the range T=1.5 K to 2.17 K, which implies that the Kerr constant of the superfluid component of liquid helium is the same as that of normal liquid helium. Pair and higher correlations of He atoms in the liquid phase account for about 23% of the measured Kerr constant. Liquid nitrogen was used to test the experimental setup; the result for the liquid nitrogen Kerr constant is (4.38+/-0.15) x 10(-18) (cm/V)(2). Kerr effect can be used as a noncontact technique for measuring the magnitude and mapping out the distribution of electric fields inside these cryogenic insulants.     

低温二次电子产额测试系统设计与研究

在合肥先进光源（HALF）建设中,由低温超导材料组成的真空部件被大量使用,尤其是超导高频腔。超导腔以高加速梯度、低束流阻抗、高无载品质因数和低运行成本等特点,成为21世纪国际上拟建的大型加速器的首选。而超导腔和低温真空室内表面的二次电子发射可能会引发电子云（EC）现象。超剂量的二次电子倍增功率沉积会引起低温区域热负载增加、超导腔失超等现象,因此降低超导高频腔内二次电子发射成为合肥先进光源设计过程中的巨大挑战。在常温材料二次电子产额（SEY）测试系统的基础上,作者自主研发设计低温样品架结构,使液氦流经样品台并通过热传导冷却样品,计算漏热来反推所需要的制冷量和液氦的消耗速率。在系统集成调试后进行降温性能测试,搭建了低温材料二次电子测试系统。     

耦合高压斯特林制冷效应的复合磁制冷循环的数值模拟

本文借助计算流体力学软件, 对复合磁制冷机进行整机数值模拟分析. 以复合磁制冷机为建模原形, 分别计算了主动式磁制冷循环以及复合磁制冷循环. 利用模型计算分析了利用系数, 工作频率对主动式磁制冷的制冷效果影响, 同时模拟计算了不同相位角、不同频率下的复合磁制冷机的制冷效果, 计算得到适合复合磁制冷循环的最佳匹配相位角. 模拟计算结果对后续实验台的设计搭建有很好的指导作用.     

制冷机冷却型小型超导强磁场系统的研制

介绍了一套制冷机冷却型小型超导强磁场系统。超导磁体线圈用铌钛超导线绕制,室温孔直径为75mm,磁场中心Φ25mm×250mm区域内最高场强达到3.64T,磁场不均匀性小于3%。在2.62T场强下连续闭环运行了20天,电流衰减率近似为零。采用4K级低温制冷机冷却防辐射冷屏,液氦蒸发率小于0.03升/小时,系统一次可注入液氦50升,补液周期大于60天。     

抽真空获取1.8K超流氦方案分析以及真空泵抽速的预测

低温地面支持系统(CGSE)是专为AMS-02国际合作科学实验项目开发研究的低温地面支持和冷却系统,该系统要完成将AMS-02超导磁体从环境温度到1.8K的冷却过程,超流氦(HeII)的获得是其重要环节。文中针对抽真空获取HeII的方案进行了比较详细的分析和计算,同时针对此方案给出了其物理过程的T-s图、流程简图和实现该过程的主要设备。最后针对此方案,对真空泵抽速进行了预测,这将对后续阶段真空泵的选型具有指导意义。     

低于氮临界点温度工作的热声驱动脉管制冷机研究

采用热声发动机驱动的脉管制冷系统,消除了系统中的机械运动部件,具有结构简单、运行可靠和环境友好等优点。文中基于Regen 3.2软件,设计并制作了一台采用热声驱动的单级脉管制冷机。该制冷机采用双向进气结构,脉管和回热器为U型布置。初步实验研究中,以氮气为工质,该脉管制冷机获得了117.5K的最低制冷温度,低于氦的临界点温度126.19K;以氦气为工质,目前获得了83.5K的最低制冷温度。