超導(dǎo)HWR腔垂直測試低溫系統(tǒng)試驗(yàn)研究

金樹峰 陳叔平 蘇海林 白 峰

(1蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院 蘭州 730050)(2中國科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730050)

超導(dǎo)HWR腔垂直測試低溫系統(tǒng)試驗(yàn)研究

金樹峰1陳叔平1蘇海林2白 峰2

(1蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院 蘭州 730050)(2中國科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730050)

中國科學(xué)院先導(dǎo)科技專項(xiàng)ADS(Accelerator Driven Suberitical,ADS)嬗變系統(tǒng)中超導(dǎo)HWR(half-wave resonator, HWR)腔垂直測試需低溫系統(tǒng)維持4.2 K(液氦)的低溫環(huán)境，低溫系統(tǒng)降溫過程包括氮?dú)庵脫Q、液氮預(yù)冷、氦氣置換和液氦冷卻。通過實(shí)驗(yàn)建立了低溫系統(tǒng)降溫4個(gè)階段不同測點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算了液氦的消耗速率和杜瓦的靜態(tài)熱負(fù)荷，分析了低溫系統(tǒng)在穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)最佳的液氦補(bǔ)液時(shí)間間隔。結(jié)果表明：該低溫系統(tǒng)滿足超導(dǎo)HWR腔垂直測試需求，消耗液氮約175 kg、液氦約2 048 L，低溫系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)液氦體積消耗速率為32 L/h，杜瓦靜態(tài)熱負(fù)荷為21.36 W，液氦合理補(bǔ)液時(shí)間間隔為4 h，為后續(xù)超導(dǎo)HWR腔垂直測試提供了保障。

加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng) 超導(dǎo)HWR腔 垂直測試 低溫系統(tǒng) 液氦

1 引 言

加速器驅(qū)動的次臨界系統(tǒng)(Accelerator Driven Subcritical System，ADS)是20世紀(jì) 90年代提出的，通過一臺高功率的質(zhì)子加速器產(chǎn)生的強(qiáng)流質(zhì)子束流轟擊設(shè)在次臨界堆中的重金屬散裂靶件，引起散裂反應(yīng)，再通過核內(nèi)級聯(lián)和核外級聯(lián)產(chǎn)生中子(一個(gè)質(zhì)子引起的散裂反應(yīng)可產(chǎn)生幾十個(gè)中子)，以此來維持次臨界反應(yīng)堆運(yùn)行或進(jìn)行核廢料處理[1]。2011年1月中國科學(xué)院批準(zhǔn)中國科學(xué)院先導(dǎo)科技專項(xiàng)ADS嬗變系統(tǒng)作為A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)正式實(shí)施[2]，其中高功率質(zhì)子加速器的研究主要由中國科學(xué)院近代物理研究所和中國科學(xué)院高能物理研究所承擔(dān)。超導(dǎo)體因其特殊的性能被應(yīng)用于加速器高頻腔中，典型的有超導(dǎo)半波長諧振腔(half-wave resonator，HWR)，是一種通過純鈮部件焊接而成、外壁采用雙層結(jié)構(gòu)及內(nèi)導(dǎo)體中空的同軸型諧振腔，具有結(jié)構(gòu)緊湊、無橫向束流偏轉(zhuǎn)效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸發(fā)展成為中低能直線加速器的主要加速結(jié)構(gòu)之一[3-4]。低溫垂直測試作為檢驗(yàn)超導(dǎo)HWR腔性能的關(guān)鍵，是超導(dǎo)HWR腔研制中的重要組成部分。一方面可通過低溫垂直測試評估超導(dǎo)HWR腔的性能，以確定其是否達(dá)到工程使用的要求[5]；其次超導(dǎo)HWR腔在加速器中經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行之后可能出現(xiàn)性能有所降低的情況，此時(shí)需要對超導(dǎo)HWR腔進(jìn)行性能測試，以了解超導(dǎo)腔內(nèi)部的狀況，尋找導(dǎo)致其性能降低的原因[6]。

超導(dǎo)HWR腔垂直測試的正常運(yùn)行依賴于其低溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和適應(yīng)性，低溫系統(tǒng)可保證其處于超導(dǎo)狀態(tài)，將試驗(yàn)所產(chǎn)生的熱量帶走。本文介紹超導(dǎo)HWR腔垂直測試低溫系統(tǒng)降溫過程原理，該過程包括氮?dú)庵脫Q、液氮預(yù)冷、氦氣置換和液氦冷卻，且提出低溫系統(tǒng)降溫測試的試驗(yàn)方案。通過實(shí)驗(yàn)建立四個(gè)階段不同測點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，記錄完成各個(gè)階段所需時(shí)間和液氮及液氦的消耗量，以完善和優(yōu)化該系統(tǒng)。此外，通過計(jì)算液氦的消耗速率和杜瓦的靜態(tài)熱負(fù)荷，擬得出超導(dǎo)HWR腔垂直測試在穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)最佳液氦補(bǔ)液時(shí)間間隔。

2 低溫系統(tǒng)及試驗(yàn)方案

2.1 低溫系統(tǒng)原理

超導(dǎo)HWR腔垂直測試必須在低溫下進(jìn)行，其低溫系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)HWR腔的降溫，使其穩(wěn)定工作于4.2 K溫度的環(huán)境中。低溫系統(tǒng)通過液氦浸泡的方法使超導(dǎo)HWR腔保持超導(dǎo)態(tài)，由于液氦汽化潛熱小、價(jià)格昂貴，系統(tǒng)采用液氮預(yù)冷整個(gè)系統(tǒng)至77 K，然后排出液氮，之后使用高純氦氣將氮?dú)庵脫Q干凈，再注入液氦進(jìn)行降溫。具體降溫過程可分為四個(gè)階段：氮?dú)庵脫Q、液氮預(yù)冷、氦氣置換和液氦冷卻，如圖1所示。超導(dǎo)HWR腔垂直測試時(shí)需加蓋水泥屏蔽板以屏蔽X射線，故采用液氦自動加注系統(tǒng)保證超導(dǎo)HWR腔始終處于試驗(yàn)所需要的低溫狀態(tài)。1號為自動補(bǔ)液口，2號為加壓排氣口，3號為手動注液口，4號為手動補(bǔ)液口，5號為真空口，6號為加壓排氮口。

圖1 超導(dǎo)HWR腔垂直測試低溫系統(tǒng)降溫原理圖Fig.1 Schematic diagram of vertical test cryogenic system cooling of superconducting HWR cavity

氮?dú)庵脫Q是將腔體所在杜瓦內(nèi)空氣用氮?dú)庵脫Q的過程，首先使用干泵將垂直測試杜瓦抽真空至2×104Pa左右，再將高純氮?dú)獬淙攵磐咧兄翂毫?×105Pa左右，隨后進(jìn)行再次抽真空，之后再次注入氮?dú)?，如此循環(huán)6次，使得杜瓦中殘存空氣雜質(zhì)為萬分之一，以滿足實(shí)驗(yàn)所要求的潔凈環(huán)境。液氮預(yù)冷為降溫過程，注入液氮后腔體和杜瓦溫度由常溫降至液氮溫度77 K，通過控制增壓速度以及低溫閥開度實(shí)現(xiàn)注入液氮流量的大小。氦氣置換為回溫過程，首先充入氮?dú)庖栽黾佣磐邏毫?，同時(shí)輔以套筒底部加熱器加熱的方式排出液氮，之后抽真空且充入氦氣，使得套筒內(nèi)只剩余氦氣。液氦冷卻為最終降溫過程，與液氮預(yù)冷過程類似，主要目的是將腔體溫度由降至4.2 K。

4.2 K低溫下，管路中的雜質(zhì)容易凍結(jié)，從而在液氦冷卻過程通入液氦時(shí)出現(xiàn)管路堵塞的問題，影響液氦的注入。解決方法為在管路連接過程中，管道中持續(xù)通入氦氣以避免此問題的發(fā)生。若已發(fā)生，則斷開管路，分段通入氦氣，檢測堵塞管段，進(jìn)而通入氦氣吹通管路。由于管路處于極低溫，此過程可能不易實(shí)現(xiàn)，故需進(jìn)行整個(gè)腔體的升溫，再充入氦氣使管道通暢。同時(shí)，為保持腔體始終沒入液氦中，還需通過觀察氦液位計(jì)讀數(shù)、控制增壓閥和低溫閥開度控制液氦注入流速的大小，保證充入足夠液氦以順利完成后續(xù)超導(dǎo)HWR腔垂直測試。

2.2 試驗(yàn)方案

針對超導(dǎo)HWR腔垂直測試低溫系統(tǒng)的4個(gè)降溫階段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，以完善和優(yōu)化該系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)過程中，垂直測試杜瓦中溫度探頭的分布如圖2所示。

圖2 垂直測試杜瓦中溫度探頭分布示意圖Fig.2 Temperature probe destruction in vertical test dewar

I長液位計(jì)和II短液位計(jì)為兩個(gè)量程不同的超導(dǎo)液位計(jì)，配合相應(yīng)溫度探頭的溫度示數(shù)來監(jiān)測液氦面高度。其中，I長液位計(jì)從距腔體頂部下方210 mm處開始讀數(shù)，當(dāng)顯示235 mm時(shí)，切換至II短液位計(jì)，主要依據(jù)短液位計(jì)示數(shù)來補(bǔ)充液氦。當(dāng)短液位計(jì)示數(shù)為75 mm時(shí)，液氦面位于腔體上方100 mm處(6號探頭位置)，此時(shí)開始補(bǔ)液；當(dāng)顯示546 mm時(shí)，液面位于內(nèi)筒下方50 mm處(5號探頭位置)，此時(shí)停止注液。

8號溫度探頭位于內(nèi)筒最底部，用于監(jiān)測內(nèi)筒何時(shí)出現(xiàn)液體積存。7號溫度探頭位于腔體長度的2/3處，為加注液氮停止位置，主要是為了避免液氮進(jìn)入腔體上部的凹孔內(nèi)。6號溫度探頭位于腔體頂部100 mm處，為液氦面下限，當(dāng)液氦液面降至此位置時(shí)，就必須開始補(bǔ)液，避免使腔體暴露在液氦面之上。5號溫度探頭位于內(nèi)筒頂部下方50 mm處，此位置為液氦面上限位置，以防補(bǔ)液時(shí)液氦溢出造成浪費(fèi)。1、2、3、4號溫度探頭作為備用探頭，也可以用來觀察不同位置處的溫度變化，其中3號溫度探頭位于腔體上部凹孔上沿。

測試使用的溫度探頭有兩個(gè)型號，分別是：CX-1010系列，為電阻式探頭，測量范圍為2—325 K；DT-470系列，為二極管型探頭，測量范圍為1.4—475 K。采用2個(gè)型號為218S的溫度控制器，分別在兩臺計(jì)算機(jī)上采集相應(yīng)的溫度信號。安裝過程中使用了3個(gè)航空插頭，分別將溫度探頭的信號線接在杜瓦的大法蘭上，且利用低溫導(dǎo)熱脂將探頭包裹，并用鋁箔膠帶將探頭固定在相應(yīng)位置，且在膠帶和探頭的粘貼處用針刺小孔，以便于排除里面的空氣，防止降溫過程中溫度探頭脫落。此外，運(yùn)用Labview編寫程序，使溫度控制器獲取的信號顯示于Labview界面上，不僅可以直觀的觀察溫度變化曲線，而且可以實(shí)時(shí)保存數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 氮?dú)庵脫Q過程

圖3為兩次抽氣、充氣過程的曲線圖，橫坐標(biāo)為時(shí)間，min；縱坐標(biāo)為低溫垂直測試杜瓦真空度，Pa。其中(a)、(b)分別對應(yīng)兩次抽氣、充氣過程。從(a)圖可以看出，兩次抽氣過程抽氣速度基本保持一致，且初始階段抽氣速度很快，直至真空度為2×104Pa時(shí)速度漸降，曲線趨于平緩；由(b)圖可以觀察到，在進(jìn)氣閥開度的控制下，由于杜瓦內(nèi)壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大氣壓，幾分鐘便可完成充氣過程，充氣速度基本呈線性變化。此過程結(jié)束后，一切就緒，開始準(zhǔn)備注入液氮。

圖3 氮?dú)庵脫Q過程Fig.3 Nitrogen replacement process

3.2 液氮預(yù)冷過程

液氮預(yù)冷過程采用噴淋方式，通過液氦輸液口注入液氮，為避免液氮噴淋到超導(dǎo)腔凹孔內(nèi)而無法排除，約20分鐘后更換至液氮輸液口繼續(xù)注入液氮。液氮預(yù)冷過程共計(jì)耗時(shí)33 min，消耗液氮175 kg。圖4為液氮輸液口注液時(shí)各個(gè)測點(diǎn)溫度變化曲線。

圖4 液氮輸液口注液時(shí)各個(gè)測點(diǎn)溫度變化曲線Fig.4 Various measuring points temperature variation with time during dispensing through liquid nitrogen infusion nozzle

從圖4可看出，通過液氮輸液口注入液氮時(shí)，8號測點(diǎn)溫度始終為77 K，表明杜瓦內(nèi)筒底部已經(jīng)出現(xiàn)積液。由于采用液氦輸液口注入液氮時(shí)液氮自上而下噴淋，致使初始時(shí)刻內(nèi)筒上方的測點(diǎn)溫度低于內(nèi)筒下方的測點(diǎn)溫度。當(dāng)液氮液面距溫度探頭極近時(shí)，測點(diǎn)的溫度急劇降低，約680 s后，液面浸沒7號測點(diǎn)處溫度探頭，停止注液，1、2、7號測點(diǎn)溫度降至77 K。

停止注液后，為使腔體未浸沒部分及其周圍環(huán)境溫度降低，需進(jìn)行液氮浸泡，浸泡約8.5 h。圖5為液氮浸泡過程中各個(gè)測點(diǎn)溫度變化曲線，由圖可看出，內(nèi)筒未被浸沒部分3、4、5、6號測點(diǎn)處溫度整體呈下降趨勢，且由于腔體熱傳導(dǎo)，位于腔體凹孔上沿的3號測點(diǎn)和腔體頂部的4號測溫點(diǎn)溫度下降相對較快。7號測點(diǎn)位于液面處，0.5 h后，由于液面降低，溫度逐漸上升。

圖5 液氮浸泡過程中各測點(diǎn)溫度變化曲線Fig.5 Various measuring points temperature variation during liquid nitrogen immersing

3.3 氦氣置換過程

氦氣置換包括排出液氮過程和抽空過程，采用充入氮?dú)庠鰤号懦鲆旱?，然后通過真空泵抽內(nèi)筒至真空度600 Pa，再充入氦氣使杜瓦內(nèi)只剩余氦氣，此過程耗時(shí)112 min。圖6為排出液氮過程各個(gè)測點(diǎn)溫度變化曲線。

圖6 排出液氮過程各個(gè)測點(diǎn)溫度變化曲線圖Fig.6 Various measuring points temperature variation during liquid helium discharge

圖7 抽空過程溫度變化曲線Fig.7 Various measuring points temperature variation during evacuation

由圖6可知，氦氣置換過程中，各個(gè)測點(diǎn)溫度有升有降，總體呈現(xiàn)上升趨勢。由于液氮泄漏致使停止排液，溫度下降，故導(dǎo)致圖中虛線1處所示現(xiàn)象。1、2、8號測點(diǎn)溫度有微小幅度上升，基本維持在80 K左右，5、6號測點(diǎn)溫度上升速度最快，約升高15 K。

當(dāng)管路無液氮排出時(shí)，采用真空泵抽真空，直至內(nèi)筒真空度為600 Pa時(shí)充入液氦，使得套筒內(nèi)只剩余氦氣。抽真空針對所有連接管道進(jìn)行抽空，如氦氣回收管道等，因此花費(fèi)較長時(shí)間。圖7為抽空過程溫度變化曲線，由圖可看出，抽空過程中各測點(diǎn)溫度整體有小幅下降，初始階段由于停止了抽空，故溫度變化較平穩(wěn)；虛線1處為真空泵開啟抽真空，由于抽速高，溫度瞬間降低；虛線2處由于連接回收管道的排氣閥的開啟，出現(xiàn)小幅溫升現(xiàn)象；虛線3處由于氣袋入口閥的開啟，內(nèi)筒壓力升至1.2×105Pa，繼續(xù)抽空，致使整體溫度呈現(xiàn)較大的上升和下降。

3.4 液氦冷卻過程

氦氣置換結(jié)束后，進(jìn)行液氦冷卻即直接向內(nèi)筒注入液氦，使內(nèi)筒溫度維持在4.2 K，以滿足垂直測試實(shí)驗(yàn)環(huán)境，此過程共計(jì)耗時(shí)355 min。輸入液氦前內(nèi)筒各個(gè)測點(diǎn)的溫度如下表1所示。

表1 輸入液氦前內(nèi)筒各個(gè)測點(diǎn)的溫度Table 1 Various measuring points temperature of inner tube before liquid helium injection

液氦冷卻溫度范圍大致為120—4.2 K，由表1中T3的溫度可知，腔體內(nèi)部已冷卻至100 K以下。

圖8為液氦加注過程中各個(gè)測點(diǎn)的溫度變化曲線，由圖可看出，液氦冷卻過程中，各測點(diǎn)溫度變化趨勢基本一致。由于降溫過程中氣袋過于鼓脹，暫停輸液， 導(dǎo)致(a)圖中1處溫度發(fā)生回升并持續(xù)一段時(shí)間的現(xiàn)象。靜待氣袋中的氣量減少至一定程度后，繼續(xù)注液氦，整體溫度開始下降。2處空白部分是由于停電造成操作中斷所致，約130 min后電力恢復(fù)，各個(gè)測點(diǎn)溫度均有不同的回升，如2處曲線放大圖(b)所示，約204 min后恢復(fù)注液，溫度開始下降。3處開始采用三罐液氦杜瓦同時(shí)注液，由于輸液管中有常溫氦氣存在，使得5號測點(diǎn)溫度短暫回升，溫度較明顯變化。355 min后各測點(diǎn)溫度均達(dá)到垂直測試要求溫度4.2 K。

圖8 液氦冷卻過程測點(diǎn)溫度變化Fig.8 Various measuring points temperature variation during liquid helium cooling

3.5 杜瓦靜態(tài)熱負(fù)荷

液氦冷卻過程結(jié)束后在無任何操作的情況下，記錄氦液位計(jì)示數(shù)，得出液氦液位高度隨時(shí)間變化曲線，如圖9所示。進(jìn)而擬合所采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)可得出液氦的損耗以及杜瓦的靜態(tài)熱負(fù)荷。

圖9 液氦液位高度隨時(shí)間變化曲線Fig.9 Relationship between liquid helium level and time

由圖9可看出，液氦液位高度h隨時(shí)間t基本呈現(xiàn)線性變化，擬合直線方程為h=209.58-2.0t。根據(jù)擬合直線，可估算液氦的損耗：當(dāng)t=0min時(shí)，液氦液位高度h=209.58 mm；t=55 min時(shí)，h=99.17mm，則液位差△h=110.42 mm，液氦消耗速率為v=△h/55=2 mm/min=120 mm/h。同時(shí)，根據(jù)內(nèi)筒尺寸可得出1 mm高度對應(yīng)液氦體積為0.264 L，則由液氦消耗速率折算得液氦體積消耗約為32 L/h，且根據(jù)超導(dǎo)HWR腔的正常工況(1.2×105Pa，4.4 K)計(jì)算得1 W漏熱量對應(yīng)液氦蒸發(fā)量為1.498 L/h，則杜瓦的靜態(tài)熱負(fù)荷為21.36 W。

另外，通過液氦消耗速率可估算出液氦的補(bǔ)液時(shí)間間隔，以合理設(shè)定補(bǔ)液速度，滿足垂直測試需求。如圖2所示，腔體頂部距離套筒頂部預(yù)定的液氦液面為575 mm，設(shè)定的補(bǔ)液液位為腔體頂部100 mm處(6號測點(diǎn)位置)，即消耗液面高度為475 mm的液氦所需時(shí)間為補(bǔ)液時(shí)間間隔，液氦液面下降速率平均為120 mm/h，則需要時(shí)間約為4 h。

4 結(jié) 論

超導(dǎo)HWR腔垂直測試低溫系統(tǒng)降溫過程包括氮?dú)庵脫Q、液氮預(yù)冷、氦氣置換及液氦冷卻，最終使系統(tǒng)達(dá)到垂直測試4.2 K低溫環(huán)境。該測試實(shí)驗(yàn)順利完成且結(jié)果滿足超導(dǎo)HWR腔垂直測試需求，其中氮?dú)庵脫Q過程幾分鐘便可完成，且充氣速度基本呈線性。液氮預(yù)冷過程共計(jì)耗時(shí)33 min，消耗液氮175 kg，靜止后腔體溫度從200 K降低為110 K。氦氣置換過程耗時(shí)112 min，初始階段各個(gè)測點(diǎn)溫度呈現(xiàn)上升趨勢，內(nèi)筒抽空至600 Pa時(shí)溫度整體小幅降低。液氦冷卻過程中，整體溫度變化趨勢一致，消耗液氦2 048 L，耗時(shí)355 min后各測點(diǎn)溫度整體達(dá)到超導(dǎo)HWR腔垂直測試溫度4.2 K。低溫系統(tǒng)試驗(yàn)的順利完成為之后超導(dǎo)HWR腔垂直測試提供了保障。

此外，液氦冷卻過程結(jié)束后在無任何操作的情況下，通過氦液位計(jì)示數(shù)的記錄數(shù)據(jù)計(jì)算液氦體積消耗速率為32 L/h，杜瓦的靜態(tài)熱負(fù)荷為21.36 W。通過液氦消耗速率得出液氦的補(bǔ)液時(shí)間間隔為4 h，為設(shè)定合理補(bǔ)液速度提供理論依據(jù)。

1 牛小飛, 韓彥寧, 姜子運(yùn), 等. ADS注入器Ⅱ10 MeV加速器液氦分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2015, 27(11): 249-253.

Niu Xiaofei, Han Yanning, Jiang Ziyun, et al. Liquid helium distribution system design for 10 Me V accelerator of C-ADS injector Ⅱ[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2015, 27(11): 249-253.

2 He Shoubo, Zhang Cong, Yue Weiming, et al. Mechanical design and analysis of a low beta squeezed half-wave resonator[J]. Chinese Physics C. 2014, 38(8): 88-93.

3 Meng Fanbo, Chen Xu, PAN Weimin, et al. Study and design of RF coupler for Chinese ADS HWR superconducting cavity[J]. Chinese Physics C， 2014, 38(11): 88-93.

4 徐 波, 張新穎, 李中泉, 等. 325 MHz低β半波長諧振腔設(shè)計(jì)[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2013, 25(9): 88-93.

Xu Bo, Zhang Xinying, Li Zhongquan, et al. Design of 325 MHz low beta half wave resonator cavity[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2013, 25(9): 2397-2402.

5 王國平, 劉亞萍, 馬 強(qiáng), 等. BEPCⅡ超導(dǎo)腔垂直測試杜瓦的漏熱分析與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 低溫與超導(dǎo), 2011, 39(11): 38-41.

Wang Guoping, Liu Yaping, Ma Qiang, et al. Heat loss analysis and experimental research of vertical test dewar for SRF cavity in BEPC Ⅱ[J]. Cryogenics & Superconductivity, 2011, 39(11): 38-41.

6 Polinski J, Chorowski M, Duda P, et al. Design and commissioning of vertical test cryostats for XFEL superconducting cavities measurements[C]. American Institute of Physics Conference Series, 2014:1214-1221.

Experimental investigation of vertical test cryogenic system for superconducting HWR cavity

Jin Shufeng1Chen Shuping1Su Hailing2Bai Feng2

(1College of Petrochemical Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，Lanzhou，China)(2Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730050，Lanzhou，China)

The vertical cryogenic test system of HWR cavity for China ADS need to maintain the liquid helium temperature by cryogenic system. The cooling process of cryogenic system consists of nitrogen replacement, liquid nitrogen precooling, helium replacement and liquid helium cooling. The temperature variation with time of various measuring points in four cooling phase of the cryogenic system were established by experiment. The liquid helium consumption rates and the static heat load were calculated, and the best time interval of helium supplement for cryogenic system in steady state was obtained. The liquid nitrogen consumption and the liquid helium consumption in experiment was 175 L and 2 048 L respertively. In the case of cryogenic system stable operation, the liquid helium volume consumption rate is 32 l/h, the Dewar static heat load is 21.36 W and the reasonable time interval of helium supplement is 4 h, meeting the demand of vertical test of HWR cavity.

accelerator driven sub-critical system; HWR cavity; vertical test;cryogenic system;helium

2010-04-11；

2016-06-06

金樹峰，男，26歲，博士研究生

TB65,TB661

A

1000-6516(2016)03-0063-06