2019年第5期低温工程总第231期CRYOGENICSNo.52019 Sum No.231用于台山中微子探测器的低温恒温器设计孙丽婷12岳献芳'曹俊2'3王立'谢宗泰2'3刘旭洋2'3朱自安2'3王美芬2〜C北京科技大学能源与环境工程学院北京100083)(2屮国科学院高能物理研究所北京100049)(3屮国科学院大学北京100049)摘要：就台山中微子探测器(JUNO-TAO)所需的低温恒温器进行设计，该恒温器高2m、卩2m、工作温度-50°C、内部^1.8m的球体范围温差±0.5°C，恒温器以低温硅油为载冷剂、制冷机为冷源，采用单层不锈钢罐体和聚氨酯复合发泡绝热技术。
首先建立以卩1.8m球体为主要组成部分的物理模型，运用Steady-State Thermal和Fluent软件模拟计算，分别得到液体闪烁体(LS)处于20°C、-30°C和-50°C时球体范围内的温度分布情况，分析结果可得液闪处于-50°C的方案运行简单，安全可靠。
关键词：低温恒温器稳态工况温度场分布中图分类号:TB657文献标识码：A文章编号：1000-6516(2019)05-0070-05Cryostat design for detector of taishan antineutrino observatorySun Liting2Yue Xianfang1Cao Jun2'3Wang L”Xie Zongtai2'3Liu Xuyang2'3Zhu Zian2'3Wang Meifeng2'3(1School of Energy and Environment,University of Science and Technology Beijing,Beijing100083,China)(2Institute of High Energy Physics,Chinese Academy of Science,Beijing100049,China)(3University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China)Abstract:Silicon photomultiplier of Taishan Antineutrino Observatory(JUNO-TAO)requiresa cryostat,whose height is2m,and the diameter is2m,operating temperature is-50 C.Temperature difference range of the internal sphere with a diameter of1.8mis±0.5 C.The cryostat uses cryogenic silicone oil as the coolant and the refrigerator as the cold source.It adopts single-layer stainless steel tank and polyurethane composite foam insulation technology.Physical model of1.8m sphere was established,and the Steady-State Thermal and Fluent software were used to simulated.Then the temperature distribution of the liquid scintillator(LS)in the range of sphere at20°C,-30C and-50°C.The results show that the solution with LS at-50°C issimple,safe and reliable.Key words:cryostat steady；state working condition；temperature field distribution收稿日期：2019-05-20；修订日期：2019-09-18基金项目：屮国科学院战略性先导科技专项(XDA10000000)作者简介：孙丽婷'女,26岁'硕士研究牛，第5期用于台山屮微子探测器的低温恒温器设计711引言江门中微子实验站（JUNO）是继大亚湾反应堆中微子试验之后，由中国主持的第二个大型中微子实验，该实验站中微子探测器将是世界上能量精度最咼、该实验的首要科学目标是利用反应堆中微子振荡确定中微子质量顺序，对于人类了解物质微观的基本结构和宏观宁宙的起源与演化具有重要意义［1］o此前的研究发现，反应堆释放的中微子能谱与理论预期有较大差异。
为了消除这一不确定性对中微子质量顺序测量的影响，中国科学院高能物理研究所计划在台山核电站距反应堆约30米处，采用新探测技术建立一个小型的高精度实验，即台山核电站中微子实验（JUNO-TAO），以精确测量反应堆中微子能谱，为江门中微子实验提供准确的输入。
该实验计划采用全覆盖的硅光电倍增管（SiPM）探测液闪发出的光，能量精度比当前世界最好水平要高3倍。
由于常温下硅光电倍增管热噪声非常大，整个探测器必须置于-50C，将热噪声降低3个量级。
液闪的光产额与温度相关，因此需要控制探测器内核心区域的温度至-50±0.5C。
本文主要内容就是对实验的低温恒温器进行初步设计。
随着中国低温事业不断发展，低温技术日益更新，不同温度下的低温实验接踵而至，主要包括低温下热物理性质的测量、材料的机械性能与实验、光学物理研究、材料磁热特性测量和超导实验等⑵，这些实验大多都在低温恒温器中进行。
对低温恒温器近50年的研究中，实验的有效空间越来越大，获得的温度越来越低。
2005年李殿东［30等人设计搭建了卩1.1m、高1.3m的超高+空低温设备，该设备的制冷系统包括外循坏和内循坏两部分，温度范围在-100—100C。
Jones［4］在2008年设计了一个温度在-83C左右，尺寸为3.3mX1.7mX1.25m的低温恒温器，为其光学实验提供相应的低温坏境。
2013年程磊等［5'6］研制了一个温度范围为-92—-2C、卩2.2m、长2.5m的高低温箱，箱内的内外筒休构成+空夹层，且设有液氮冷屏和多层绝热。
本研究建立以液闪为核心部件的物理模型，利用ANSYS Steady State Thermal和Fluent软件，模拟不同热力学边界条件下液闪的温度分布情况，分析比较各结果优劣，选出满足实验要求的设计方案。
2低温罐体的整体设计台山中微子探测器装置的剖面图如图1所示，由内到外分别是：液休闪烁休（主要成分是烷基苯，简称LAB）一＜p'1.8m、厚4cm的有机玻璃球形容器一铜球壳（球壳内表面布满硅光电倍增管等电子元件,总发热量为1000W）—铜壳与罐休之间装有纯LAB—高2m、＜p2m不锈钢低温罐休一聚氨酯绝热材料,JUNO-TAO实验要求^1.8m的液休闪烁休范围内温度-50C、温差±0.5C，为了保证温度的均匀性和稳定性，盘管安装在铜壳外表面将热量及时带走。
该实验在台山核电站的地下实验室进行，电梯是通往实验室的唯一通道，受电梯尺寸（1.4mX1.8mX 1.8m）限制罐休需要拆分成多块到现场拼装，如果选择+空绝热的方式，结构复杂，易变形，而且拼接缝漏热量大，所以选择单层不锈钢罐休外面包裹聚氨酯绝热材料的方案，罐休外形图如图2所示。
聚述酣绝穗林料图1JUNO-TAO主要部件结构图Fig.1Structure of main component for JUNO-TAO图2罐体示意图Fig.2Schematic diagram of stainless steeltank72低温工程2019年3不同方案的内部温度场数值模拟及结果分析在此之前没有工作在-50C的液闪探测器先例。
本项目通过研发已找到基本可行的液闪配方，但其低温下的物理化学性质仍需进一步研究。
为应对液闪可能无法工作在-50C的情况，在保持铜壳和SiPM为-50C的情况下，对3种温度下液闪内部温度分布进行模拟计算,即常温20C、-30C和-50C。
提高液闪温度的方法有两种，一是有机玻璃制成夹层结构，在夹层内通入较高温度的LAB来维持液闪所需温度；二是令液闪自循坏起来，在有机玻璃球壳顶部分别开设进口和出口，排出的液闪在装置外获得热量后再通入装置，以不断循坏的方式来维持液闪的特定温度。
3.1有机玻璃制成夹层结构的情况LAB的导热系数为0.142W/(m-K)，聚氨酯的导热系数为0.03W/(m-K),二者的导热能力都不强同时聚氨酯厚度足够，所以忽略罐休漏热，建立铜壳、有机玻璃和液闪的物理模型，网格划分结果如图3所示。
当液闪在20C运行、铜壳外表面-51C、铜壳内表面1000W时，求得有机玻璃球壳内表面的平均热流为133W/m，,所需提供的热量为1330W。
于是模拟铜壳外表面-51C、铜壳内表面1000W、液闪外表面1330W时液闪内部的温度分布，结果如图4所示。
图3模型网格划分示意图Fig.3Schematic of mesh geometry in modeling当液闪运行在-30C时有机玻璃球壳内表面应提供400W热量。
模拟铜壳外表面-51C、铜壳内表面1000W、有机玻璃内表面400W的情况，液闪图4液闪温度分布Fig.4Temperature profiles in LS内部的温度分布结果如图5所示Typer THmperaLu'BLkiife'X：TimwlS0.543M ml-20.723-3C.9IM30.994-31AB5-31.175■31L265Sl.ast IM in图5液闪温度分布Fig.5Temperature profiles in LS结果表明：液闪处于20C的方案中内部平均温度为20.4C，由于有机玻璃球壳内外存在近70C温差，所以液闪外表面温度均匀性较差，最大温差3C 不符合实验要求；而液闪处于-30C的方案，有机玻璃球壳内外温差降到20C，温度均匀性极大提高，液闪平均温度为-30.9C，最大温差0.813C，小于1C满足实验要求。
3.2液闪自循环的情况液闪自循坏的情况中有机玻璃球壳有入口和出口管道，这些管道从常温温度层到-50C低温层，温度变化大,管道应力增加，为了降低漏热量、减少罐休开孔数，所以将这些管道都从罐休顶部引出。