PKU-SCAF低温系统流程设计数值模拟

    1 引言

    北京大学超导加速器(PKU-SCAF)〔1〕是一台集中了当前世界加速器先进科学技术的实验研究装置,它可以提供具有高亮度、高平均流强、高品质、皮秒脉冲、连续波电子束流,具有一定能量的超短脉冲微电子束团,有着广阔的应用空间。PKU-SCAF是研究辐射物理和化学、自由电子激光(FEL)、激光同步辐射光源、物质与电子束的相互作用,以及新加速器原理和技术的强有力的工具。

    PKU-SCAF主要由激光驱动的光阴极直流-射频超导注入器(DC-SC光阴注入器,包括一个2.5-壳超导腔)和两个9-壳的超导加速腔构成的主加速段等组成。由于注入器及主加速段是超导型的,其壁损耗极低,PKU-SCAF工作在脉冲模式,加速梯度可达15~20 MV/m。

    PKU-SCAF的2.5-壳和9-壳超导腔分别置于两个低温恒温器内,采用2 K的饱和超流氦浸泡式冷却,对应的超流氦工作压力为31 mbar,整个2 K低温系统的总热负荷约为70 W,因此需要一套百瓦量级的低温系统来维持设备运行。

    2 工作原理及数值模拟分析

    2.1 基本流程构成

    对于采用超流氦冷却的超大型的超导设备,其冷却方式主要有两种:饱和超流氦浸泡式冷却(工作温度通常为2 K或者118 K,相应的工作压力为31 mbar或16 mbar)或者加压超流氦冷却(工作温度通常为1.8~1.9 K)。超导腔冷却通常采用饱和超流氦浸泡式冷却〔2〕。

    针对北大超导加速装置,本文所讨论的百瓦量级的饱和超流氦冷却流程基本构成如图1所示〔3〕。它可以分为三个部分:室温部分、4.5 K氦制冷部分和2 K制冷部分。室温部分主要由压缩机和泵等组成。来自2 K系统的负压回流工质升压(泵压缩)后与4.5 K冷却系统回流工质混合,一起进入到压缩机中去,在那里得到系统的高压工质。4.5 K氦制冷部分主要由改型的克劳特循环构成,提供4.5 K液氦。2 K制冷部分主要有低温换热器和低温负载构成。4.5 K液氦经过低温换热器(LT)进一步降温到2.2 K左右,然后经过J-T节流阀,得到2 K超流氦。超流氦吸收热负荷,相变换热,气体回流,升温后通过冷泵或者室温泵压缩到一个大气压左右。

    2 K超流氦低温系统中,目前主要采用三种方式对负压氦流增压。第一种为仅采用室温泵增压,第二种为仅采用冷泵增压,第三种为室温泵与冷泵共用增压。三种方式的特点在有关文献中已报道过〔2,4〕。三种不同方式决定了不同的流程循环。针对北大百瓦量级超流氦系统,本文给出了第一种增压方式下,不同循环方式构成的三种流程的数值模拟和分析比较。

    2.2 三种拟定方案

    针对北大超导装置,本文采用数值模拟的方法比较了三种流程方案,流程简图如图2、3、4所示。