CN104555926A - 一种微流量氘、氦气体分离的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于一种微流量气体分离的装置，具体涉及一种核聚变装置真空检漏技术领域氘、氦混合气体分离的装置。它包括壳体，壳体为双开口的T字通道结构，壳体内T字型的垂直方向封装有制冷机，壳体内T字型的水平方向内设有冷凝板，端口设有障板，上端设有上辐射屏，障板与制冷机的一级冷头连接，冷凝板与二级冷头连接，下辐射屏套装在制冷机上。本发明的优点是，由低温冷凝板把所通过微流量残余气体中的氘气冷凝，而对氦气又不产生吸附作用以达到氘、氦混合气体分离的目的。

Description

一种微流量氘、氦气体分离的装置
技术领域
本发明属于一种微流量气体分离的装置，具体涉及一种核聚变装置真空检漏技术领域氘、氦混合气体分离的装置。
背景技术
现代托卡马克聚变装置运行中要求严格的实时泄漏检测，由于真空检漏所使用的示踪气体氦与实验工作气体氘的质量数十分接近，通用的氦质谱检漏仪不能分辨两者。托卡马克装置真空室的残余气体中的氘流量一般为10-5-10-8Pa.m3S-1，在这样的本底下用氦检漏仪检测装置的微小真空泄漏将极为困难。为提高检漏系统的灵敏度，需采用选择性抽气和压缩采样技术来抑制托卡马克装置残余气体中的氢同位素本底。低温抽气是一种可能的选择性抽气方法。目前，商用低温泵主要采用涂敷吸附剂的方法来实现低质量数气体（H2，He）的抽除，这种泵对氦气也具有一定抽速，不能实现氘气和氦气的分离。基于以上原因，设计一种不带吸附剂的低温冷凝装置，利用氦气和氘气具有不同的沸点（氘：23.6K，氦：4.2K）的特性，控制装置处于某一温度使氘气凝结而氦气不冷凝，实现氘、氦混合气体的分离来提高托卡马克装置真空检漏系统的灵敏度。
发明内容
本发明的目的是提供一种微流量氘、氦气体分离的装置，它能够提高托卡马克装置氘气本底下的氦质谱检漏灵敏度。
本发明是这样实现的，一种微流量氘、氦气体分离的装置，它包括壳体，壳体为双开口的T字通道结构，壳体内T字型的垂直方向封装有制冷机，壳体内T字型的水平方向内设有冷凝板，端口设有障板，上端设有上辐射屏，障板与制冷机的一级冷头连接，冷凝板与二级冷头连接，下辐射屏套装在制冷机上。
所述的冷凝板采用多片非直线流导结构，冷凝板上设有控温组件。
本发明的优点是，由低温冷凝板把所通过微流量残余气体中的氘气冷凝，而对氦气又不产生吸附作用以达到氘、氦混合气体分离的目的。
附图说明
图1为本发明所提供的一种微流量氘、氦气体分离的装置示意图；
图2为冷凝板结构示意图。
图中：1制冷机，2壳体，3下辐射屏，4冷凝板，5障板，6上辐射屏，7控温组件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细介绍：
如图1和图2所示，一种微流量氘、氦气体分离的装置包括壳体2，制冷机1，辐射屏，障板5，冷凝板4，控温组件7等部件；壳体2为双开口的T字通道结构，气流从进气口端引入，它的通径为￠150的双开口T字型通道结构壳体2，水平方向为进、出气口，可以与其他管道或真空系统串联。依次通过障板5、冷凝板4，从出气口端流出。障板5与制冷机1的一级冷头连接，冷凝板4与二级冷头连接。冷凝4板采用多片非直线流导结构，气体流既可以通过也能被冷凝。冷凝板4上安装温度控制点，配置加热组件，冷凝板温度可以精确控制。冷凝板4上不涂敷吸附剂，在6K-16K范围，所通过气体流中的氘气被凝结，而氦气不被凝结。
采用冷源采用4.2K制冷机1，冷头封装在壳体2内T字型的垂直方向，其一级作为下辐射屏3、上辐射屏6和障板5的冷源，提供77K温度，二级作为低温冷凝板4的冷源，最低温度5K。
冷凝板4由5片平行的直径为￠120、厚度2毫米的镀亮镍无氧铜板组成，并列安装在传热板上，总面积为1130cm2。传热板位于T型水平中平面，与二级冷头直接接触。铜板上开若干￠3的通气孔，且每两片板的通气孔错位排列，以形成非直线型流导结构。由于气体为微流量，不考虑流导对气流的影响。多片错孔的设计用来增大氘气与冷凝板的接触几率，提高冷凝效率。
为避免冷凝板不受外界的直接热辐射，冷凝板用辐射屏包围起来，在进气口端辐射屏前加上障板5。障板采用百叶窗结构，同时可以对被抽气体进行预冷。
为了装配的方便，辐射屏采用两级连接方式设计，即设计为上下辐射屏，上辐射屏6装入后与下辐射屏3通过螺钉固定。
在第一片冷凝板边缘（最靠近冷头）安装一个温度控制点（温度传感器和加热组件），采用温控仪精确采集并控制低温冷凝板4的温度。温度传感器精度为0.1K，最近和最远端的冷凝板温度差小于1K。对冷凝板设定某一温度后，温控仪通过调节加热组件的输出功率，可维持冷凝板温度稳定。冷凝板温度调节范围为：5K-30K，而氘气有效凝结而氦气不凝结的温度范围为：6K-16K。
在一个具体实施例中，微流量氘、氦气体分离的装置的进、出口端分别与同口径真空腔室串联，真空腔室上安装有真空计、高分辨四极质谱仪和流量计等测量工具。出口端真空腔室连接分子泵辅助抽气。
将冷凝板温度设定为10K，一个氘氦比例为10:1的混合气体样品从进口端的真空腔室中引入，先通过障板气体样品被预冷，然后再通过冷凝板。每通过一片冷凝板，将有部分氘气被凝结。由于出口端的真空腔室由分子泵抽气，通过冷凝板的气体样本将向出口端的真空腔室运动。测量结果表明通过装置后，该样品氘氦比例变为约1:1，其中氦气流量并没有减小，实现了混合气体中氘气的有效凝结。
在另一个实施例中，进口端的真空腔室与托卡马克装置真空室连接，出口端分子泵的前级连接了氦检漏仪。将冷凝板温度设定为10K，从托卡马克装置所引入残余气体中质量数为4(氘、氦混合气体)的检漏仪本底信号，由2.7×10-7Pa.m3S-1降低为2.2×10-8Pa.m3S-1，既氦检漏仪的灵敏度提高了一个数量级。

Claims (2)

1.一种微流量氘、氦气体分离的装置，其特征在于：它包括壳体（2），壳体（2）为双开口的T字通道结构，壳体（2）内T字型的垂直方向封装有制冷机（1），壳体（2）内T字型的水平方向内设有冷凝板（4），端口设有障板（5），上端设有上辐射屏（6），障板（5）与制冷机（1）的一级冷头连接，冷凝板（4）与二级冷头连接，下辐射屏（3）套装在制冷机（1）上。
2.如权利要求1所述的一种微流量氘、氦气体分离的装置，其特征在于：所述的冷凝（4）板采用多片非直线流导结构，冷凝板（4）上设有控温组件（7）。
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