EAST真空运行的极限真空问题
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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1
][WdTKSQ,所以Q(K);VCK5941
,所以K();TCv/11499.0,其中,
M
T
v601.4
,TMp110203.1,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2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。
1 Townsend放电3
1.1 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。
1.2 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。
1.3 其它因素的影响
1.3.1 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。
1.3.2 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
1.3.3 温度
总的来说,在低温下,绝缘的效果要好于常温条件。
1.3.4 阴极
表面状态可能导致25%的标准偏差。材料似乎影响不大4。
保护压强设在1E-3Pa,1m间隙时pd~3E17m-2,远离较危险的semivacuum区。应满足50mm/7000V/He要求。
2 可能的原因
2.1 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100Pam3/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5
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
2.2 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。
3 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。
1
达道安等,真空设计手册(第3版),国防工业出版社,(2004)65页
2
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
3
J. Gerhold, Properties of cryogenic insulants, Cryogenics, Vol. 38, No. 11 (1998) 1063
4
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.
5
达道安等,真空设计手册(第3版),国防工业出版社,(2004)4,1588页