EAST真空运行的极限真空问题.docVIP

EAST降温过程中的保护压强设置 2006年2月15日 真空的作用主要是热绝缘 从热绝缘的角度考虑，要求残余气体处于分子流态，根据文献 ，所以Q(K)；，所以K(()；，其中， ，，由于分子流态，平均自由程~d，((不再是常数，因此Q(P)。 此时，知道冷热壁的间距，冷面的面积，假设残余气体全是He，即可计算。 根据文献和HT-7的实际运行经验，压强不超过10-3Pa水平即可满足要求。 EAST通电过程中的保护压强设置 真空的作用除热绝缘外，另一重要作用是电绝缘。 此方面的耽心主要是：在EAST的外真空室由于外漏或内漏造成压强突然上升时，可能在电极间会发生Townsend放电，演化到弧光放电后如果对管路造成损坏，气压进一步上升，形成恶性循环，造成恶性后果。 Townsend放电 He放电 图 1 4He的Paschen曲线 图1给出了氦的放电曲线。1atm=2.7E25m-3，5mm间距下，80Pa对应1020m-2，击穿电压达1万伏，1m间距下，0.4Pa对应1020m-2，击穿电压达1万伏。 N2放电 图 2 N2的Paschen曲线 图2给出了氮的放电曲线。1atm=2.7E25m-3，5mm间距下，8Pa对应1019m-2，击穿电压超10万伏，1m间距下，4E-2Pa对应1019m-2，击穿电压超10万伏。 其它因素的影响 非均匀电场； 强烈非均匀电场下，不直接产生击穿，但常常产生电晕。这发生在较高的气压下。 磁场； 强磁场会将击穿电压最低点明显左移。[1] 磁场会约束电子回旋运动增长运动轨迹，降低击穿电压。但以上原因一般在100kV以上电压绝缘，才会有明显影响。图3给出磁场下绝缘性能，可见击穿电压主要决定于Townsend放电过程。 图 3 磁场下击穿电压 温度 总的来说，在低温下，绝缘的效果要好于常温条件。 阴极 表面状态可能导致25％的标准偏差。材料似乎影响不大。 保护压强设在1E-3Pa，1m间隙时p(d~3E17m-2，远离较危险的semivacuum区。应满足50mm/7000V/He要求。 可能的原因 外漏 这是个作用比较慢的过程，原理上由于空气中的主要成分（物理性质如表1）一旦进入外真空都很容易被冷凝吸附，而外真空由于冷面巨大，所以对空气有效抽速很大，所以除非是一个巨大的缺口，否则气压的上升是个非常慢的过程。低温设计的原则会避免磁体直接面对室温外壳，所以磁体的局域气压突增的可能性应非常小，只要判断及时，足够有时间将电流泄放，检漏、排漏。此时主要考虑是避免如下恶性循环：高压强-强热传导-密封处低温-漏孔增大-更高压强。 HT-7的运行记录显示：外真空机组对氮气的等效抽速约为2.3m3/s，降温后低温磁体的有效抽速约高两个量级；曾经发生过100Pa(m3/s的大漏，压强上升导致运行被迫中断的时间是几小时量级，足够泄放电流。 表1：大气中主要气体成分物理性质 种类 N2 O2 Ar CO2 Ne 相对分子量 28 32 40 44 20 容积百分比(%) 78.1 21.0 0.9 3.1E-2 1.84E-3 临界点 126.1 154.78 150.7 304.19 44.4 熔点 63.29 54.75 84 215.55 24.57 内漏 这应该是最危险的情况，在HT-7的低温调试中曾发生过电流引线段的大泄漏，外真空气压超过1000帕，外壳结霜，运行被迫中断。分析原因可能是：电流引线局部过热，加上该处缺乏有效抽速，漏放气造成气体击穿，进入以下恶性循环：气体击穿-管路损伤-更大的泄漏-更高的气压-更强烈的气体放电。 真空监测 综上所述，对电绝缘和热绝缘的真空度要求并不苛刻。然而由于运行状态的不同，不同阶段需要设置不同的保护阈值。更关键的一点：压强的变化率（变化趋势）是更为重要的判据，及时判断是否有漏，内漏还是外漏，对装置运行是至关重要的。 达道安等，真空设计手册（第3版），国防工业出版社，（2004）65页 潘引年等，HT-7纵场超导磁体系统热平衡计算（稳态），HT-7物理方案论文集，（1994）233页 J. Gerhold, Properties of cryogenic insulants, Cryogenics, Vol. 38, No. 11 (1998) 1063 Gerhold, J., Hubmann, M. and Telser, E., Near Paschen-minimum discharge phenomena in helium gas. Proc. 12th Int. Conf. on Gas Discharges and their Applications, Greifswald, Germany, 1997, pp. 252-255. 达道安等，