减小低温板的辐射热负荷是低温泵设计中的关键问题。为了降低辐射热，通常在低温板与热源之间设置防辐射挡板，使绝大部分辐射热在挡板处被吸收。辐射挡板的副作用是阻挡了被抽气体分子运动，使低温泵的抽速降低，所以辐射挡板形式的选择对于低温泵的高效运行是至关重要的。介绍了用蒙特卡罗法对2种不同形式的辐射挡板的通导几率与透射系数进行计算与综合分析，确定了理想的挡板结构是人字型。通过对低温面辐射热负荷的计算，证明了辐射挡板对降低低温面辐射热负荷的作用显著。
1 引 言
中科院等离子体物理研究所研制的大型磁约束聚变装置TOKAMAK，采用中性束注入加热法将等离子体加热到反应温度。为了在中性束注入TOKAMAK时不影响TOKAMAK内的真空度，也为了减小中性束的再电离损失，必须有一个大抽速的真空泵来迅速提高箱体内的真空度。
为此，采用了图1所示的在真空室入口处直接安装对氢抽速为4．0×10 L／s的4．2 K液氦低温冷凝泵为主真空系统Ill，从而起到快速稳定中性束注入系统动态真空度(1O Pa量级)的作用。该系统由入口温度为4．2 K液氦冷却低温冷凝板，在其两侧布置2片液氮冷却挡板(简称辐射挡板)，液氮入口温度为77 K，以使穿过挡板到达冷凝面的粒子能量足够低并吸收掉绝大部分来自真空室温壁的辐射热(真空室温壁的温度为300 K)。辅助真空系统由机械泵和涡轮分子泵组成。该系统承担着真空预抽和在低温泵再生期间抽除低温泵解吸气体的任务。
辐射挡板对低温冷凝形成一次光屏蔽，做到既避免热辐射直接照射到低温冷凝板上，又可以使低温冷凝板维持较低的温度，以利于提高对气体分子的捕获几率。但辐射挡板的存在也阻挡了被抽气体分子的运动，对低温泵的抽速也有影响。为此，作者对2种典型的辐射挡板的结构，使用蒙特卡罗法分别计算了它们的通导几率与透射系数，以及进一步通过对低温冷凝板辐射热负荷的计算，确定了合理的辐射挡板结构与表面处理方法。
2 辐射挡板
辐射挡板对低温冷凝板的作用可归纳为：
(1)设计的辐射挡板表面温度为77 K，针对300 K的真空环境，能对4．2 K的低温冷凝板有很好的热防护作用。
(2)对真空室内水蒸气和CO：等沸点高于77 K的气体，可将它们冻结在挡板上，阻止这些气体接近低温板，即可作为一级冷极。
(3)对77 K温度下不能凝结的气体，如Ar、0 、N 、Ne、H 和He等气体可起到预冷作用。即对沸点温度低于77 K的气体，在理想情况下使其降到接近辐射挡板的温度，当它们到达低温表面时，就容易被冷凝或吸附，有利于增加抽速并减小低温面的热负荷。
在辐射挡板的设计中应考虑的主要问题可归纳为 ：
(1)使挡板具有最大的通导几率，使在挡板温度下不能凝结的气体能最大限度地通过挡板(或具有最大的通导)。
(2)使挡板具有良好的热屏蔽作用，即要选择透射系数小的挡板来减少来自真空室的热透射。
(3)透射系数和通导几率是衡量挡板性能的2个重要参数，它们之间是相互矛盾的，所以在设计时应综合考虑。
3 人字型挡板与百叶窗型挡板的结构分析与计算
3．1 人字型挡板与百叶窗型挡板结构分析
百叶窗型挡板是由一组倾斜一定角度的平行板条构成，外表面涂黑。为了吸收辐射热，同时又要让被处理气体通过，所以对于热光子来说，如果它们正运动在被抛光的倾斜内表面上或被光的内表面反射，则都有可能通过挡板。挡板这样安排，是为了让面对着热源的外表面有一个高的吸收率，面对着低温泵的内表面有一个低的发射率。
人字型挡板结构是在百叶窗型的基础上，又做了另一组倾斜一定角度、与第一组方向相反的平行板条。人字型挡板能非常有效地阻止辐射热，它的热传导率比百叶窗型的更低，即百叶窗型挡板的热传导率是0．40，但是人字型挡板的热传导率则是0．25，几乎是它的一半。人字型挡板的3／4面是涂黑面，是百叶窗黑面的3倍，所以它的吸收率远大于百叶窗型挡板的吸收率。
3．2 蒙特卡罗法计算
蒙特卡罗法即统计检验法，这个方法是通过在计算机上跟踪大量气体分子运动来进行统计计算的。在跟踪过程中作了如下假设：
(1)通过辐射挡板的气流为稳定的分子流。
(2)气体分子从人口射人辐射挡板的初始位置是均匀分布的。
(3)气体分子从人口射人辐射挡板的入射方向和气体分子与辐射挡板壁碰撞后重新出发的方向均遵从余弦定律。
(4)辐射挡板壁对气体分子的黏着几率为零。
跟踪过程如下：
(1)假设有一个气体分子从人口射人辐射挡板，先产生若干伪随机数来确定此分子的初始位置和入射方向，并使之符合假定。
(2)再由初始位置和入射方向来确定分子与辐射挡板哪个面相碰撞以及碰点的位置，然后，又产生若干伪随机数来确定分子从碰点出发的方向，并使之符合假定。
(3)又由该碰点位置和分子重新出发的方向来确定下一个碰点的位置。如此继续下去，直到分子通过出口逸出辐射挡板或返回人口逸出辐射挡板停止跟踪为止。次后，又产生一个新的假想分子进行跟踪。如果碰撞次数超过规定数值(计算中取32或100)，分子仍未逸出辐射挡板，为了节省时间，应立即停止跟踪。气体分子通过辐射挡板的几率称为通导几率P。在跟踪分子数足够多的情况下，可近似地用分子是否通过辐射挡板这一独立试验的算术平均值来表示。 |