BEPC-Ⅱ低温系统的氦气净化技术

    1 引 言

    随着北京正负电子对撞机(BEPC)圆满完成其使命,中国科学院高能物理研究所在原有的基础设施的基础上对正负电子对撞机进行了大规模的技术改造(BEPC-II)。为了使其成为当前国际上最先进的双环对撞机,实现亮度提高两个数量级的目标,BEPC-II将采用3种超导设备,即BESIII超导螺线管磁铁,超导插入四极磁铁及超导加速腔[1]。为此,BEPC-II低温系统配备了2台TCF50S低温制冷机,作为配套设施低温系统还分别配备了2个130 m³的氦气储存罐和2个130 m³的氦压缩机缓冲罐,分别用来保证低温系统具有充足气源和稳定压缩机吸气口的压力。由于低温制冷机对于氦气的纯度有着较高的要求(99. 996% ),且系统较为庞大,因此,无论是储存罐内气体的置换还是低温传输线和超导设备内的气体净化都存在较大的难度和相当的工作量,尤其对于储罐内气体的置换,国内外目前都在采用一种简单的置换方法,即多次抽真空置换法。由于氦气的成本较高,因此对于大型低温系统来说这种作法是极其昂贵的。BEPC-II低温系统的4个130 m³的氦气储罐如果采用高纯氦气置换的方法,每次充入0. 1MPa的氦气置换3次,则共需要氦气1 560 m3,仅氦气的价格就超过10万元。如何才能有效而又经济的净化低温系统当中的氦气,本文结合BEPC-II低温系统建设过程中积累的经验,对低温系统的气体净化进行了详细的阐述。

    2 BEPC-II低温系统概述

    BEPC-II低温系统由4个子系统组成:核心低温设备、超导腔低温系统、超导插入四极磁体低温系统及探测器螺线管磁铁低温系统,其结构如图1所示。为了满足3种超导设备的稳定运行,核心低温设备采用2台具有相同制冷能力的500W@ 4. 5K氦低温制冷机分别为超导磁体和超导腔提供冷量。由于BEPC-II低温系统中有3种不同的氦流(饱和液氦、两相氦、超临界氦)用于冷却超导设备,又在低温系统中分别配备了2 000 L和1 000 L杜瓦,同时还为超导腔和超导磁体分别配备了低温分配阀箱,阀箱与超导设备之间分别采用多层绝热的多通道传输管线相互连接,以满足超导设备在不同工况下对低温的需求。

    3 氦气储罐的真空置换

    3. 1 氦气储罐的干燥净化

    由于氦气储罐在制作过程中内表面进行过喷砂处理并涂上一层红丹防锈漆,虽然在运输及安装过程中内部充正压氮保护,其内部仍然存在水蒸气或颗粒物。经过综合考虑多方面因素,采用如下方案:首先用仪表空气吹扫内部颗粒物,再用高纯氮气对储罐置换3次,每次充气压力为0. 2 MPa,第1次充气后对储罐和管路管件等系统进行检漏,如果合格就进行放空,然后抽空至10²Pa,通过如此反复的充放气和抽真空置换,就能够保证储罐中水分含量小于10×10^-6,露点温度在-40℃以下[2]。经过以上步骤的检漏和置换虽然能在一定程度上保证储罐的密封性和其中的水分含量,但并不能保证将99. 999%的氦气充入后供给低温系统使用的气体纯度能够达到99. 996%。为此,需要将储罐抽至1 Pa再充入高纯氦气,以尽可能确保高纯氦气充入储罐后仍具有较高的纯度。