几种获取1.8K超流氦方案的对比分析

    AMS(Alpha Magnetic Spectrometer)是一种粒子物理探测器,它要在高达430 km处的地球大气外层空间中寻找宇宙空间的反物质、暗物质和宇宙射线,并通过迄今为止所能达到的超大灵敏度的设备来对这种物质进行测量.此项实验准备解决两个问题:寻找反物质;探究暗物质的本质.

    1998年6月,AMS-01搭载发现号航天飞机(STS-91)在太空中运行了10 d,这次飞行仅是一次实验飞行.AMS-01是永磁体(Nd2Fe₁₄B),它可以产生磁感应强度为0.15 T的非常均匀的磁场.AMS-02的磁感应强度比AMS-01的大6倍,这样大的磁场强度是通过低温超导磁体来实现的[1～4].低温地面支持系统(CGSE)是由上海交通大学专门为AMS-02国际合作科学实验项目开发研究的地面支持和冷却系统,此套系统要完成将AMS-02超导磁体从环境温度到1.8 K的冷却过程.而其中超流氦的获得是一项重要的工作.本文针对如何获得1.8 K的超流氦提出了直接节流、预冷与节流相结合、抽真空以及抽真空与节流过程相结合的4种方案.对提出的方案进行了详细的分析和计算,同时针对各个方案给出了温—熵(T—S)图、流程简图以及实现过程的主要设备,并最终确定各个方案所能达到的超流氦液体率.

    1　直接节流

    1.1　实施方案

    方案的T—S图如图1所示.大气压力下的饱和液体氦位于图中的1点,对应的比焓h1=10.02kJ/kg.当直接采用节流阀将饱和液体氦节流到1.6 kPa后,获得的超流氦温度达到了系统要求的温度1.8 K,对应于图中的状态点2.该点位于汽液两相区,是压力为1.6 kPa,温度为1.8 K的饱和超流氦液体和饱和蒸汽的混合物.实现此过程的流程如图2所示.

　　饱和氦蒸汽与超流氦之间的真空夹层用于减小漏入到超流氦管路的热量,起到真空绝热的目的.1.8 K的低温氦蒸汽用于吸收从外界通过多层绝热而渗入的热量,进一步减小了超流氦的热损失.

    1.2　过程分析

    节流过程为等比焓过程,即h1=h2=10.02kJ/kg.状态点3对应于1.6 kPa下的饱和液体,而状态点4对应于1.6 kPa下的饱和蒸汽,其相应的比焓h₃=822.5 J/kg,h₄=24.17 kJ/kg.由于湿蒸汽的比焓可以根据上述两个饱和点的比焓确定:

h2= (1 -x)h₃+xh₄(1)

    根据式(1)可得湿蒸汽的干度x=0.393 9≈40%.由此可知,直接节流过程所获得的超流氦液体率接近于60%.就本工程的应用而言,此数值在理论上是可以接受的,但此过程没有利用1.8 K下的超流氦饱和蒸汽的冷量,将会有较大的能量损失.

    2　带有预冷的节流过程

    2.1　过程描述

    带有预冷的节流过程是针对直接节流过程的缺点而提出的一种改进方案.此方案在充分利用1.8 K超流氦饱和蒸汽冷量的同时,还可以提高超流氦液体率.此过程为图3中过程1—5—6.1点对应于大气压力下的饱和液体,h1=10.02 kJ/kg.过程1—5为利用4点的饱和蒸汽进行预冷的等压冷却过程,过程4—7为与其相对应的饱和蒸汽的等压升温过程.为了便于方案的分析与计算,假设蒸汽的出口温度与液体氦的出口温度相同.过程5—6为预冷结束后的节流过程,即h5=h6.图4、5分别为可以实现此目的的两种方案的流程简图.图4为液体氦的预冷过程,即过程1—5是由一个热交换器来实现的.而图5所示的预冷过程是通过液体氦和低温氦蒸汽在内外管路中的逆向流动来实现的.