黃 明，王厚銀，余耀偉，左桂忠，孫 震，孟獻(xiàn)才，3，徐 偉，胡建生，2*

（1.中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所，合肥 230031；2.中國(guó)科學(xué)院光伏與節(jié)能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230031；3.湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院應(yīng)用物理系，長(zhǎng)沙 410082）

0 引言

核聚變能具有原料豐富、能量巨大和清潔安全等優(yōu)點(diǎn)，是潛在的人類(lèi)未來(lái)能源之一?！按偶s束”是實(shí)現(xiàn)受控核聚變的一種途徑，帶電粒子受到磁場(chǎng)的作用，只有沿著磁力線(xiàn)的方向可以自由運(yùn)動(dòng)，讓磁力線(xiàn)螺旋纏繞在輪胎形的環(huán)面上，可避免高溫等離子體沿著磁力線(xiàn)的方向直接損失以及漂移損失，基于這一基本思想的磁約束裝置就是“托卡馬克[1]”。EAST[2]是我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造的國(guó)際上首個(gè)全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，主要由內(nèi)真空室、縱場(chǎng)線(xiàn)圈系統(tǒng)、極向場(chǎng)線(xiàn)圈系統(tǒng)、內(nèi)外冷屏、外真空杜瓦及支撐系統(tǒng)等部件組成，裝置主機(jī)部分高達(dá)11 m，直徑達(dá)8 m，質(zhì)量約400 T。

EAST裝置真空系統(tǒng)[3]是其重要組成部分，主要由內(nèi)真空室和外真空室構(gòu)成。內(nèi)真空室為高溫的等離子體聚變提供清潔環(huán)境，包括主機(jī)部分和各類(lèi)診斷系統(tǒng)真空室，主機(jī)部分是由16個(gè)D型截面的扇形全硬段焊接而成[4]，最大能夠承受13個(gè)大氣壓差，因而能夠與其他真空室分開(kāi)獨(dú)立運(yùn)行，體積約40 m3（含窗口管道）。外真空室為低溫超導(dǎo)提供絕緣絕熱環(huán)境，由主真空室、低溫閥箱和電流引線(xiàn)罐組成，體積分別為 160 m3、20 m3和 22 m3。EAST 裝置龐大的真空系統(tǒng)需要大量的寬量程（10-6～105Pa）真空規(guī)管進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，德國(guó)PFEIFFER公司研發(fā)生產(chǎn)的PKR251型真空規(guī)管，具有操作簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、寬量程（air，N2）2×10-7～1×105Pa、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)在EAST裝置上被廣泛使用。

在研究磁約束核聚變裝置中，良好的真空室器壁狀況已成為獲得高性能等離子體的關(guān)鍵性因素。而通過(guò)蒸發(fā)或等離子體鍍膜的方法將金屬鋰材料涂覆在第一壁上的鋰化鍍膜實(shí)驗(yàn)[5]，可以使等離子體約束得到改善，C、O雜質(zhì)得到抑制，粒子再循環(huán)降低。鑒于鋰化鍍膜的良好壁處理效果，現(xiàn)已發(fā)展為EAST裝置的一種常規(guī)壁處理方式，并呈現(xiàn)出兩個(gè)特點(diǎn)：頻次高，日均1次；量大，單次涂覆15 g，偶爾用量達(dá)45 g。而大量高頻次的鋰化壁處理實(shí)驗(yàn)會(huì)使PKR251型規(guī)管內(nèi)部部件（電極、極板和真空腔體等）表面污染或磨損，電極放電屬性產(chǎn)生變化，真空腔體內(nèi)氣壓與離子流關(guān)系發(fā)生改變，冷陰極電離規(guī)難以啟動(dòng)等問(wèn)題，最終導(dǎo)致EAST裝置上PKR251型真空規(guī)管測(cè)量不準(zhǔn)或錯(cuò)誤。

目前，對(duì)于PKR251型真空規(guī)管測(cè)量不準(zhǔn)或錯(cuò)誤的現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外同行通行做法是更換備品（備件），造成了很大的浪費(fèi)?？紤]響應(yīng)國(guó)家政策，積極履行節(jié)能環(huán)保的責(zé)任，通過(guò)長(zhǎng)期的積累，發(fā)展了一套針對(duì)PKR251型規(guī)管的修復(fù)和標(biāo)定技術(shù)規(guī)范。

1 EAST裝置真空測(cè)量系統(tǒng)

1.1 EAST真空測(cè)量系統(tǒng)

EAST真空測(cè)量系統(tǒng)[6]包括用于測(cè)量絕對(duì)負(fù)壓的真空規(guī)管、測(cè)量絕對(duì)正壓的規(guī)管以及測(cè)量分壓的質(zhì)譜計(jì)組成。通常采用單規(guī)管模式和測(cè)量站模式兩種方法，前者即為單個(gè)規(guī)管測(cè)量真空度；后者為多個(gè)規(guī)管協(xié)同測(cè)量真空度，可以是同型號(hào)的規(guī)管替換測(cè)量或者是不同量程的規(guī)管測(cè)量相應(yīng)真空度，此外還有質(zhì)譜計(jì)輔助測(cè)量真空室內(nèi)氣體成份的分壓變化。目前，真空測(cè)量站主要分布在裝置外真空室抽氣管道遠(yuǎn)端和內(nèi)真空室抽氣管道近端、遠(yuǎn)端等位置，并在內(nèi)真空室抽氣管道引出差分測(cè)量站，可以在高氣壓下進(jìn)行分壓測(cè)量；除此之外對(duì)需要維持真空運(yùn)行的輔助加熱系統(tǒng)和外圍診斷系統(tǒng)均采用單規(guī)管模式。EAST真空測(cè)量控制系統(tǒng)，如圖1所示，現(xiàn)已發(fā)展比較完善，真空數(shù)據(jù)可以通過(guò)控制界面遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)讀取。

圖1 EAST真空測(cè)量系統(tǒng)控制界面Fig.1 The control interface of vacuum measurement system on EAST

1.2 PKR251型真空規(guī)管

德國(guó)PFEIFFER公司研發(fā)生產(chǎn)的PKR251型真空規(guī)管具有寬量程（air，N2）2×10-7～1×105Pa，緊湊設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)的節(jié)省空間安裝，統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)電纜實(shí)現(xiàn)所有發(fā)射機(jī)的輕松布線(xiàn)，適應(yīng)強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境等特點(diǎn)，在EAST裝置上被廣泛使用，總數(shù)超過(guò)60支。PKR251型真空規(guī)管是復(fù)合型真空規(guī)管，包含1個(gè)皮拉尼規(guī)和1個(gè)冷陰極電離規(guī)，如圖2所示。

冷陰極電離規(guī)[7]是利用低壓下氣體分子的電離、電流與壓力有關(guān)的特性制成，用放電電流做為真空度的測(cè)量。工作原理是：當(dāng)工作電壓加到電極上后，由于受到宇宙射線(xiàn)或其他荷能粒子的隨機(jī)觸發(fā)，在氣體中產(chǎn)生電離而形成了初始電子，這個(gè)初始電子在交叉電磁場(chǎng)的聯(lián)合作用下，沿著一個(gè)或多個(gè)擺線(xiàn)型路徑運(yùn)動(dòng)，在向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，獲得足夠高能量的電子與氣體分子碰撞再引起電離產(chǎn)生次級(jí)電子，最后電流受空間電荷限制達(dá)到與壓力相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定值，如圖3所示。

圖2 PKR251型真空規(guī)管及其內(nèi)部分解圖Fig.2 Vacuum gauge and its internal decomposition diagram

圖3 冷陰極電離規(guī)原理圖Fig.3 Principle of the cold cathode ionization gauge

2 規(guī)管修復(fù)與標(biāo)定工藝

2.1 規(guī)管標(biāo)定平臺(tái)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建

圖4為規(guī)管標(biāo)定平臺(tái)示意圖，主要包括：真空室、1套抽氣機(jī)組、3臺(tái)TPG256A真空計(jì)、2根加熱帶、1套充氣系統(tǒng)（微調(diào)閥、減壓閥、高純氮?dú)猓?支標(biāo)準(zhǔn)規(guī)管、1臺(tái)工控機(jī)和支撐結(jié)構(gòu)。真空室體積約50 L，采用扁球形設(shè)計(jì)，環(huán)向?qū)ΨQ(chēng)分布21個(gè)標(biāo)準(zhǔn)CF35法蘭接口，在真空穩(wěn)定的條件下，每個(gè)CF35法蘭接口處的實(shí)際壓力是相等的，可以同時(shí)標(biāo)定19支PKR251型真空規(guī)管。抽氣機(jī)組由1臺(tái)機(jī)械泵和1臺(tái)分子泵組成，其抽速為700 L/s。兩根硅橡膠電加熱帶的總功率為2 kW，能夠快速將真空室烘烤至120℃。該平臺(tái)在抽氣檢漏后，經(jīng)過(guò)烘烤處理，最佳本底真空可達(dá)9.0×10-6Pa，而EAST裝置上PKR251型真空規(guī)管的測(cè)量范圍通常在1.0×10-5～1.0×105Pa，能夠滿(mǎn)足標(biāo)定要求的真空條件。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)管采用蘭州空間技術(shù)物理研究所校準(zhǔn)標(biāo)定的PKR251型真空規(guī)管[8]。

圖4 真空規(guī)管標(biāo)定平臺(tái)示意圖Fig.4 The schematic diagram of the vacuum gauge calibration platform

2.2 規(guī)管修復(fù)標(biāo)定工藝

EAST裝置物理實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，選取離子回旋系統(tǒng)（ICRF）8支PKR251型真空規(guī)管，利用真空規(guī)管標(biāo)定平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。將全部規(guī)管安裝在標(biāo)定平臺(tái)上，抽氣檢漏，并對(duì)真空腔體進(jìn)行24 h的100℃烘烤，在室溫條件下，向真空室充入高純氮?dú)猓?9.999%）調(diào)節(jié)不同氣壓（10-6～105Pa），與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)管比對(duì)，發(fā)現(xiàn)PKR251型真空規(guī)管的線(xiàn)性度均出現(xiàn)不同程度偏離，全部超出允許誤差±30%，部分規(guī)管的誤差甚至超過(guò)±1 000%，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。因此，需要對(duì)全部PKR251型真空規(guī)管進(jìn)行修復(fù)和標(biāo)定，才可以在EAST裝置上再次使用。

圖5 修復(fù)前測(cè)試結(jié)果曲線(xiàn)Fig.5 Measurement results of vacuum gauge before the repair

2.2.1 規(guī)管修復(fù)

PKR251型真空規(guī)管的修復(fù)過(guò)程為：（1）標(biāo)記，保持PKR251型真空規(guī)管修復(fù)前后零部件的一致性；（2）拆卸，參照?qǐng)D2將規(guī)管拆卸分解；（3）去污，清除電極、極板和密封O圈等規(guī)管內(nèi)部件的表面污染，污染物多為金屬鋰的化合物，可以用水（或5%醋酸溶液）浸泡溶化，污染難以清除的部件可以更換；（4）清洗，在酒精中浸泡半小時(shí)，并輔以超聲波清洗，除去表面油脂類(lèi)污染；（5）烘烤，極板和卡簧等金屬部件放入烘箱中烘烤半小時(shí)，電極和密封O圈等非金屬部件用電吹風(fēng)熱風(fēng)烘干；（6）組裝，在干燥環(huán)境下，佩戴無(wú)粉乳膠手套按照標(biāo)記組裝全部規(guī)管；（7）檢漏，對(duì)組裝后的規(guī)管進(jìn)行真空檢漏，漏率低于1×10-9Pa·m3/s，完成規(guī)管修復(fù)。

2.2.2 規(guī)管標(biāo)定

將修復(fù)后的8支規(guī)管和1支PKR251型標(biāo)準(zhǔn)規(guī)管安裝到標(biāo)定平臺(tái)，多余法蘭安裝CF35盲蓋。然后對(duì)該平臺(tái)真空系統(tǒng)抽氣，并通過(guò)噴氦氣整體檢漏，結(jié)果顯示漏率小于最小可檢漏率（5×10-9Pa·m3/s），再對(duì)標(biāo)定平臺(tái)的真空腔體進(jìn)行24 h、100℃烘烤，停止烘烤待真空腔體壁溫降至室溫后，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)管的讀數(shù)為9.6×10-6Pa。室溫條件下，通過(guò)控制向充入真空室高純氮?dú)猓?9.999%）的充氣速率，調(diào)節(jié)不同氣壓（10-6～105Pa），在氣壓穩(wěn)定后并維持5 min，利用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)每個(gè)量程標(biāo)定4～5個(gè)采集點(diǎn)，最后分析比對(duì)標(biāo)定結(jié)果（真空計(jì)型號(hào)為T(mén)PG256A）。

2.3 標(biāo)定結(jié)果

8支PKR251型真空規(guī)管修復(fù)后，標(biāo)定發(fā)現(xiàn)線(xiàn)性度較好，如圖6所示。其中#2、#3、#5、#7和#8真空規(guī)管在整個(gè)比對(duì)范圍內(nèi)誤差均小于30%（標(biāo)稱(chēng)誤差范圍內(nèi)），能夠滿(mǎn)足EAST裝置真空測(cè)量要求；而#1、#4和#6真空規(guī)管在0.005～1 Pa范圍內(nèi)誤差較大（約50%），需要再次修復(fù)，并根據(jù)標(biāo)定結(jié)果確定是否繼續(xù)使用，如圖7所示。

圖6 修復(fù)后標(biāo)定結(jié)果曲線(xiàn)Fig.6 Calibration result after repair

圖7 各規(guī)管與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)的讀數(shù)誤差曲線(xiàn)Fig.7 The reading error of every gauge and the standard

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)規(guī)管內(nèi)部電極、極板和密封O圈等關(guān)鍵部件的去污（更換）、清洗和烘烤處理，修復(fù)計(jì)量不準(zhǔn)確或錯(cuò)誤的PKR251型真空規(guī)管。搭建規(guī)管標(biāo)定平臺(tái)模擬EAST裝置物理實(shí)驗(yàn)時(shí)的真空環(huán)境，通過(guò)控制充入真空室內(nèi)高純氮的充氣速率，改變真空室內(nèi)的氣體壓力，比較單個(gè)規(guī)管與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)的讀數(shù)，判定規(guī)管測(cè)量準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)PKR251型真空規(guī)管的標(biāo)定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)修復(fù)后的大部分真空規(guī)管在不同壓力下線(xiàn)性度較好，能夠滿(mǎn)足EAST裝置真空測(cè)量要求；小部分真空規(guī)管需要再次修復(fù)，并根據(jù)標(biāo)定結(jié)果確定是否繼續(xù)使用。

這種規(guī)管修復(fù)和標(biāo)定技術(shù)為EAST實(shí)驗(yàn)提供了準(zhǔn)確可靠的測(cè)量工具，能夠有效延長(zhǎng)PKR251型規(guī)管使用壽命，避免資源浪費(fèi)，為核聚變實(shí)驗(yàn)節(jié)能環(huán)保提供技術(shù)支持。同時(shí)，建立了針對(duì)PKR251型規(guī)管的修復(fù)、標(biāo)定程序，為今后的規(guī)管修復(fù)和標(biāo)定技術(shù)提供了重要參考。

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