CTB 真空系统研究报 告 人：钱津导 师：王小明单 位：六室真空组

汇报大纲

预期效果4

工作进展3

主要工作2

题目来源1

1. 课题来源

等离子体所 ITER 超导馈线系统采购包中 CTB箱体的设计

1.1 feeder 介绍 ITER 超导馈线系统（ feeder ）是为主机磁体如 TF 、 PF 、 CS 提供电力输出，冷却循环，测控信号的一整套管、缆、线组成的系统，维持和控制磁体及其结构在指定的工况下正常可靠地运行，是ITER 热核实验堆真正意义上的“生命线”。

共 31 套不同类型

CS 馈线 6 个

Feeder馈线系统

每套馈线系统长 35 ～ 50 米。馈线总体重量近1500 吨。

CS/TF 结构冷却馈线 3 个

CC 校正场线圈馈线 5 个

IF 诊断馈线 2 个

TF 馈线 9 个

PF 馈线 6 个

STR feeder

TF Feeder

PF Feeder

CC Feeder

CS Feeder

Feeder 主要部件介绍 FEEDER 主要包含三大组件：线圈终端盒 /S 弯盒 / 干盒（ CTB&SBB&DB) ，过渡馈线（ CFT ），内馈线

（ ICF ）。

CFT

ICF CTB 内部部件CTB&SBB&DB

线圈终端盒 CTB CTB 为磁体馈线系统中的管、缆、线分别与低温车间、电源大厅以及数据收集系统的相连接提供接口和屏蔽保护。 CTB 主要包含：壳体、冷屏、安全阀架、内部组件（管路、阀门、电流引线、温度传感器、流量计、压力传感器

等等）、与低温车间的真空隔断、失超泄放端口等。各馈线的 CTB 设计原理和外观基本类似，但因为冷却流程的变化（超导母线数量，阀门、 低温管路的数量和大小的变化）和 ITER 建筑物的空间限制，各馈线 CTB 的设计各有不同。

工作时， CTB 内部需要保持一定的真空，并对 H2 等气体成分含量有要求。

2. 主要工作

要求：放气温度： 20℃ 最大放气率：氢气及杂质 都为 1 ×10-8pa.l/(s.cm2) ( 绝缘材料放气率允许到 1 ×10-7pa.l/(s.cm2) ）放气率主要考虑的是总压强、氢气和水蒸气的分压。运行中放气量以绝缘材料的放气为主，所以在制造前要先检测所用绝缘材料的放气率。

要求：正常工作时真空度至少达到 10-4pa有关因素：真空抽气系统、材料出气率、装置漏率、冷屏吸附。影响：热传导，材料腐蚀所有工作都是为得到工况下满足要求的真空度及气体成分服务。

要求：在任何测试条件下馈线和其部件的漏率都不能大于下表中所列出值的大小：

主要考虑的是低温冷却管道中氦气的泄露。

馈线独立部件（局部检漏）

馈线单元低温恒温器内部部件总和

CTB/S 弯 / 附属部分总和

10-9Pa.m3.s-1 5×10-8Pa.m3.s-1 10-7Pa.m3.s-1

3. 工作进展3.1 材料放气率3.1.1 材料放气率介绍 材料在大气环境下能溶解、吸附一些气体，放置于真空环境中就会因解析等过程而放气。由于现代检漏技术足以做到使真空系统的漏气量远小于系统的放气量，因此真空系统所需要的真空泵的大小主要取决于真空系统中所使用的材料放气率的大小。 目前国内外发表的大量的材料放气率数据，都是将具体的某种材料在实验室中的特定条件下测得的，所以有时对于所用材料不宜完全引用国内外同类材料的数据，最好对所选用的材料经行实测，从而使真空系统的设计既稳妥可靠又经济合理。 测量放气率一般有两种常用的方法： 一种是定容法，将被测材料的试样放置在密闭的已知容积的真空容器中，测量试样放气引起的压力上升速率，根据定容室内的容积和压力上升率计算材料放气率。此方法有两个缺点： （ 1 ） 只能测定相当长的时间中放出气体的总量。 （ 2 ） 这个方法不能测定动态过程的放气。 另一种是小孔流导法，将被测试材料的试样放置于真空容器中，用已知流导小孔抽气，通过测量动态平衡压力，根据在分子流导下小孔的流导和小孔两边的压力差计算出材料放气率。

3.1.2 工作原理

小孔流导的测量原理是，材料放出的气体通过一个小孔抽走，小孔两端的压力形成动态平衡后，则通过小孔的气体量为小孔两边的压力差乘以小孔的流导，则材料的放气率为放气量除以材料的表面积，用下式计算：

式中： q——式样的放气， Pa• L/(s• cm2)；

C——小孔的流导， L/s； P2——小孔进口端得压力， Pa； P1——小孔出口端得压力， Pa； A——式样的表面积， cm2 。

A

PPC )(q 12

3.1.3 测量误差及其修正措施

3.1.4 测试装置原理测量原理：实验装置如左图所示，由圆筒形真空室、限流小孔、测试系统和抽气系统组成。圆筒形真空室中由隔板分成两部分，中间有一流导为 C1 的小孔。样品室和测试室内为高真空，通过小孔的气流为分子流。测试过程中P2>P1 ，由压强差和小孔流导可计算得样品材料出气率。质谱仪测出样品材料放出气体成分比例，目的是研究材料对特定气体的出气率。计算公式如下：1. 抽真空，样品室和测试室压强稳定后，样品室的总放气量用下式计算：

2. 材料的放气率为放气量除以材料的表面积，用下式计算：

3. 为排除样品室本身的放气量影响，用下式计算材料放气率：

左式中：Q —— 样品室总放气量， Pa·L/s；q —— 被测材料的放气率， Pa·L/(s·cm2)；A —— 被测材料的表面积， cm2 ；C1 —— 小孔对 25℃ 空气的通导， L/s；P1’—— 放入被测材料后测试室的压力， Pa；P2’—— 放入被测材料后样品室的压力， Pa；P1 —— 放入被测材料前测试室的压力， Pa；P2 —— 放入被测材料前样品室的压力， Pa 。

3.1.5 测试装置结构如左图所示，圆筒形真空室由隔板分成样品室和测试室两部分。样品室体积 V=55.1L ，内表面积 S=0.616m2 ，其上留有四个外接法兰，用于连接规管、质谱仪、充气装置等。测试室体积V=30.4L ，内表面积 S=0.55m2 ，与主抽气系统相连，其上也留有四个外接法兰。样品室与测试室之间由一根波纹管连接，作为样品室粗抽旁路。隔板中心孔连一通孔法兰，其所用无氧铜垫圈开有特定尺寸小孔，以确定两室间的流导。小孔直径 A=11.47mm 的垫圈用于非金属材料出气率测试，在 25℃ 时小孔流导为 12L/S ；小孔直径 A=5.74mm 的垫圈用于金属材料出气率测试，在 25℃ 时小孔流导为 3L/S 。

分子流状态下圆孔流导的计算公式：

式中： C1 —— 小孔流导， m ³/s ； A0 —— 圆孔的面积， m ² ； R —— 气体常数；

T —— 气体温度， K ；M —— 气体摩尔质量， kg/mol ；

（此值可由质谱计给出）

各参数真空室材料 1Cr18Ni9Ti

测试时温度 25℃

25℃时小孔流导( 测非金属材料 ) 12L/S （ Φ11.47 ）

25℃时小孔流导( 测金属材料 ) 3L/S （ Φ5.74 ） 限流圆孔

3.1.5 难点及创新点遇到的问题：我们想测得材料刚开始放气时所释放气体成分。本次测试材料为高放气率材料，测试刚开始时样品室的气载较大，压强较高，而所用质谱计的测量上限为 5× 10-2Pa ，不利于测量。此时测试室中压强较低，可用质谱计测量，但分子泵抽气时有气体歧视效应，测试室中气体成分与材料实际放出气体成分比例不符，测量结果会有偏差。分子泵的气体歧视效应：分子泵抽气时对不同分子质量气体的压缩比不同，抽速也不同，对分子质量越小的气体抽速越小（如对氢气的抽速很小）。样品室中释放出的气体被抽到测试室中时，气体成分比例已经改变。

解决方案：通过以下措施解决此问题：1.用质谱计测测试室气体成分；2.通过设置小孔流导消除分子泵抽气时的分子歧视效应。消除分子泵的分子歧视效应（如上图所示）： 在分子泵抽气口处加一限定流导的小孔 C2 ，根据公式

，当 SP»C2 ，即 SP ≧ 10C2 时， Se≈ C2 ，

此时有效抽速 Se只与小孔流导有关。 在两室间加一限定流导的小孔 C1，两室内的压强关系：

由 得

此时两室内的总压强与各气体成分的分压强都只与小孔流导C1 、 C2 有关，与分子泵的抽速 Se无关，避免了分子泵对不同分子质量的气体抽速不同的问题。故此时测试室和样品室内气体成分及比例相同。以上式中： SP——分子泵的标称抽速； Se——抽气系统对测试室的有效抽速； C1 、 C2——小孔流导； P1 、 P2——测试室和样品室压强。

3.1.7 装置实物

组装限流阀门

烘烤

3.1.8 测试样品

G10 材料环氧树脂材料

多层绝热材料

G10 一种玻璃纤维与树脂碾压复合材料。“G” 代表 glass fiber （玻璃纤维）“ 10” 是指玻璃纤维在其中含 10% 。特点：绝缘，耐腐蚀，耐磨。

多层绝热材料由多层反射屏加纤维并散布金属碎片制成。本次测试：单 /双面镀铝涤纶膜 +KT-231尼龙网 单 /双面镀铝涤纶膜 +填碳纸优点： 1.隔热性能好 2. 质量小、性能稳定和预冷损耗小，使用方便 3.抗腐蚀老化、机械强度好、加工方便、易于运输

特点：1.优良的电绝缘性2. 稳定性好3.耐热温度可到 200℃或更高

3.1.8 测试样品样品编号 尺寸（ m

m ）表面积

（ cm2 ）重量

（ g ）表面粗糙

度（ μm ） 加工 备注

福润达 G10 1 50×50×10 70 49.02 5.9 用冲床冲平全部六个面

性能 类似于牌号 3240 的环氧

福润达 G10 2 50×50×10 70 48.46 4.2

三环盛 G10 1 50×50×10 70 48.75 6.7性能 类似于牌号 F880 的环氧

三环盛 G10 2 50×50×10 70 48.87 5.9

科烨 G10 1 50×50×10 70 52.92 3.7用铣床铣平其中 5 个面，有一个面保持原来的压

膜

科烨 G10 2 50×50×10 70 52.70 5.9

环氧 1 50×50×10 70 47.49 7.1

环氧 2 50×50×10 70 48.20测 量 的 时候正在 装 置 中做测试

3.1.9 测试结果

被测材料

测试开始时的温度 /℃

放气率 F/Pa.L/(s.cm2) / 气体成分百分比（ %）测试终止时的温度 /℃

压差比△ P/

△ P0 （Q/Q0）

备注1.0h 8.0h 16.0h 24.0h

环氧 26 5.83E-4

H2 3.0H2O 76.6N2 15.5CO2 3.3

1.98E-4

H2 8.7H2O 74.5N2 12.0CO2 4.3

1.14E-4

H2 10.4H2O 71.4N2 11.3CO2 5.5

8.09E-5

H2 11.3H2O 70.7N2 11.3CO2 6.0

25 16.10无水乙醇清洗，自然晾干

福润达G10 28 3.24E-4

H2 3.4H2O 75.5N2 15.8CO2 2.8

7.21E-5

H2 15H2O 66.3N2 11.5CO2 4.9

3.61E-5

H2 17.7H2O 63.8N2 11CO2 5.0

2.72E-5

H2 19.7H2O 62.2N2 10.6CO2 4.8

27 6.32无水乙醇清洗，自然晾干

三环盛G10 24 3.10E-4

H2 2.4H2O 76.4N2 15.7CO2 4.3

8.19E-5

H2 12.8H2O 66.3N2 16.1CO2 5.2

4.77E-5

H2 16.2H2O 57.3N2 16.8CO2 5.7

3.55E-5

H2 17.2H2O 55.8N2 17.0CO2 5 .6

24 7.55无水乙醇清洗，自然晾干

科烨 G10 24 2.78E-4

H2 2.5H2O 70.6N2 19.7CO2 4.1

6.60E-5

H2 8.2H2O 70N2 14.2CO2 5.3

3.60E-5

H2 11.3H2O68.6N2 12.7CO2 6.3

2.43E-5

H2 12.8H2O 67.0N2 12.1CO2 7.1

25 11.14无水乙醇清洗，自然晾干

3.1.9 测试结果

但是科烨 G10 材料截面纹路混杂，能明显地看到材质不均匀，根据我的推测，之所以它的放气率要低于其他材料，主要是由于其他材料六个面全部加工过，而科烨 G10 材料由于加工失误，只加工了 5 个面，有一个面的压膜没有去掉，所以出气率较低，如下图：

3.1.9 测试结果福润达 G10 ：

六个面都已经加工，截面纹路均匀，无杂质。

科烨 G10 ：

原 来 的 压膜致密且光滑。

加工截面有明显的材质不均，有一个面没有加工，仍保持原来的压膜。

另：发现用铣床加工的表面相比较于用冲床加工的表面，表面粗糙度要好很多。

3.1.10 存在的问题1. 规管测得真空数据曲线有跳动

在压强降到 10-3 或 10-4 的时候，规管采集模式进行了转变，导致压强曲线下降斜率发生改变，并在转变点有较明显的凸起，影响了曲线的平滑性。并在早期让人误解为装置有漏，对比质谱数据后确定是规管本身的问题。解决：更换规管。

3.1.10 存在的问题

2. 样品面积有点小，导致压差比较小 样品表面积的选取依据是满足样品放气率大于本底放气率的 3倍，在实际试验中，为了忽略本底放

气的影响，最好大于 10倍以上。根据环氧的经验，现在加工的样品面积都为 70cm2 ，结果是环氧测试时的压差比为 16.1 ，可以完全忽略本地的影响。而由于 G10 材料的放气率较小，结果压差比为6.31~11.14 ，并不能完全忽略本底的影响。

解决：下轮试验加工的样品表面积定为 240 cm2 ，尺寸： 100×100×10mm 。

3.1.11 下一步工作1. 对比有表面压膜的与没有压膜的样品

通过对比，了解表面的压膜对 G10 材料的放气率的影响。

2. 新的样品测试

选取其他的 G10 样品测试进行测试。最好是有针对性地测试，因为 G10 的放气率大小与其加工工艺有很大关系，了解其不同加工工艺后再进行测试，这样得到的结论，对以后选取材料的指导性更大。

3. 对装置进行标定

通过此测试平台对不锈钢及环氧进行测试后，所得数据与其他文献给予的数据相近，但为了能更有说服性，最好对其进行标定，关于标定方法，还在考虑中。可以先做个流量校准。

4. 比较总放气量

因为考虑到 CTB 盒子是长期运行，所以在考虑绝缘材料的放气率的时候，同时也要考虑其总的放气量。解决完以上问题后在考虑此问题。

3.2 箱体漏率检测 箱体漏率检漏工作主要包括：1. 管道焊缝检漏2. 主管道检漏3.CTB 管道整体检漏

主要工作为设计焊缝检漏工装及总体检漏方案，一切的工作以满足箱体整体漏率达标为准。

4. 预期效果选择符合采购包要求的材料（特别是非金属材料）；对 CTB箱体中的低温管道及CTB箱体本身进行检漏，使其满足漏率标准；针对真空室大小、总放气率、工况温度，设计合理的抽气系统，满足采购包要求。最终完成 CTB箱体的真空系统设计。

1

放气率测试组建完成放气率测试平台，并对绝缘材料、多层绝热材料等做测试。9 月完全组建完毕，10~11月做测试

2

CTB 箱体检漏做前期检漏准备，准备检漏方案，低温管道焊接时同时对焊缝检漏。时间安排：焊接方案完成后开始检漏方案

3

工况真空通过设计真空室的大小以及泵组、材料的选择，满足CTB 箱体工作时对极限真空的要求。