2 K超流氦池压力控制的模拟与分析

超流氦因其优秀的热力学特性被广泛应用于国外大型超导加速器中。随着科学研究的发展，国内对超流氦的需求也有所提高。目前制备2 K超流氦的经典方法为抽气减压制冷技术，超导加速器对该过程中氦池的压力稳定性的要求不断提高，当前主流的压力控制手段已很难满足需求。本文提出一种基于热力计算的压缩机抽气量精确调节方法，结合氦的物性和氦池内的各物性参数建立控制方程。在MATLAB中对比普通的PID调节方法与该精确调节方法的压力波动表现，证明其提高压力稳定性的作用。

超流氦是一种特殊的冷却介质，具有低动力粘度、高导热率、高临界热流密度等独特的热力学特性， 使其在大型超导加速器中被广泛应用于冷却超导腔及超导磁铁。早期大科学装置在饱和液氦的冷却下可以满足当时的研究需要。但随着高能物理技术领域的深入发展，对超导磁体装置提出了更高磁场和能量的要求，因此，在低温超导磁体的进一步开发中提出了对超流氦的应用[1]。目前，国外大型氦低温系统已普遍使用超流氦冷却，对大型氦制冷机及2 K 系统的建造及运行具备了非常成熟的经验，具有稳定、可靠的工业化产品。在国内，科学研究的发展已经突显了对超流氦制冷的迫切需求[2]。

目前制备超流氦的经典方法为压缩机减压降温技术，即通过压缩机抽吸氦气，降低液氦槽内的饱和压力和饱和温度，从而获得超流氦。在超导加速器中的低温系统内，超导腔浸泡于超流氦池中，为冷量的消费终端。在实际的运行过程中，超流氦池的压力波动大小会严重影响超导射频腔的稳定运行，因此超流氦池的压力波动大小成为了设计超流氦池的重要指标之一。

当前主流的压力控制手段为增设辅助管路和缓冲罐等设备， 通过PID 控制调节对超流氦池内的补气、补液回路的阀门开度及压缩机的抽速，最终达到减小压力波动的目的[3]。然而，仅以压力为目标调节压缩机的转速，本质上是从控制的角度调节了抽气的体积流量，忽略了氦在低温下的实际物理状态变化以及氦池内的具体情况。鉴于此，本文拟建立超流氦池减压降温模型，结合MATLAB 软件进行热分析， 提出结合超流氦物理性质和氦池情况对压缩机抽速的精确调控方法。在此基础上，拟通过以传统PID 调节抽速控制方法与该精确调控方法对比，验证该方法提高氦池压力波动稳定性的能力，进而为提高大型低温系统的压力稳定性提供理论基础。

2. 氦池降温系统热分析 2.1. 超流氦池系统结构 超流氦池的基本系统结构如图1 所示，使用压缩机对2 K 超流氦池进行抽气降压，由于超流氦及其上方氦气均为饱和状态，其饱和蒸汽压和温度具有单调关系，因此随着压力的降低温度也会降低[4]。由于抽气引起超流氦的蒸发，容器内超流氦的液位会随降温的进行逐渐降低。为保持液面高度的稳定，需要对氦池内的工质进行补充。为了提高超流氦池的压力波动可控性，直观对比冷压缩机主动调控能力， 选择使用4.2 K 冷箱中的4.2 K 液氦进行补液，4.2 K 氦气进行补气。