EAST裝置PKR251型真空規(guī)管的修復及標定技術(shù)研究

黃 明，王厚銀，余耀偉，左桂忠，孫 震，孟獻才，3，徐 偉，胡建生，2*

（1.中國科學院等離子體物理研究所，合肥 230031；2.中國科學院光伏與節(jié)能材料重點實驗室，合肥 230031；3.湖南大學物理與微電子科學學院應(yīng)用物理系，長沙 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，是潛在的人類未來能源之一?！按偶s束”是實現(xiàn)受控核聚變的一種途徑，帶電粒子受到磁場的作用，只有沿著磁力線的方向可以自由運動，讓磁力線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]是我國自主設(shè)計建造的國際上首個全超導非圓截面托卡馬克核聚變實驗裝置，主要由內(nèi)真空室、縱場線圈系統(tǒng)、極向場線圈系統(tǒng)、內(nèi)外冷屏、外真空杜瓦及支撐系統(tǒng)等部件組成，裝置主機部分高達11 m，直徑達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，包括主機部分和各類診斷系統(tǒng)真空室，主機部分是由16個D型截面的扇形全硬段焊接而成[4]，最大能夠承受13個大氣壓差，因而能夠與其他真空室分開獨立運行，體積約40 m3（含窗口管道）。外真空室為低溫超導提供絕緣絕熱環(huán)境，由主真空室、低溫閥箱和電流引線罐組成，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)管進行實時監(jiān)測，德國PFEIFFER公司研發(fā)生產(chǎn)的PKR251型真空規(guī)管，具有操作簡單、壽命長、寬量程（air，N2）2×10-7～1×105Pa、靈敏度高等優(yōu)點在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驗[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)出兩個特點：頻次高，日均1次；量大，單次涂覆15 g，偶爾用量達45 g。而大量高頻次的鋰化壁處理實驗會使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)難以啟動等問題，最終導致EAST裝置上PKR251型真空規(guī)管測量不準或錯誤。

目前，對于PKR251型真空規(guī)管測量不準或錯誤的現(xiàn)象，國內(nèi)外同行通行做法是更換備品（備件），造成了很大的浪費?？紤]響應(yīng)國家政策，積極履行節(jié)能環(huán)保的責任，通過長期的積累，發(fā)展了一套針對PKR251型規(guī)管的修復和標定技術(shù)規(guī)范。

1 EAST裝置真空測量系統(tǒng)

1.1 EAST真空測量系統(tǒng)

EAST真空測量系統(tǒng)[6]包括用于測量絕對負壓的真空規(guī)管、測量絕對正壓的規(guī)管以及測量分壓的質(zhì)譜計組成。通常采用單規(guī)管模式和測量站模式兩種方法，前者即為單個規(guī)管測量真空度；后者為多個規(guī)管協(xié)同測量真空度，可以是同型號的規(guī)管替換測量或者是不同量程的規(guī)管測量相應(yīng)真空度，此外還有質(zhì)譜計輔助測量真空室內(nèi)氣體成份的分壓變化。目前，真空測量站主要分布在裝置外真空室抽氣管道遠端和內(nèi)真空室抽氣管道近端、遠端等位置，并在內(nèi)真空室抽氣管道引出差分測量站，可以在高氣壓下進行分壓測量；除此之外對需要維持真空運行的輔助加熱系統(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)可以通過控制界面遠程實時讀取。

圖1 EAST真空測量系統(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)計而實現(xiàn)的節(jié)省空間安裝，統(tǒng)一的標準電纜實現(xiàn)所有發(fā)射機的輕松布線，適應(yīng)強磁場環(huán)境等特點，在EAST裝置上被廣泛使用，總數(shù)超過60支。PKR251型真空規(guī)管是復合型真空規(guī)管，包含1個皮拉尼規(guī)和1個冷陰極電離規(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量。工作原理是：當工作電壓加到電極上后，由于受到宇宙射線或其他荷能粒子的隨機觸發(fā)，在氣體中產(chǎn)生電離而形成了初始電子，這個初始電子在交叉電磁場的聯(lián)合作用下，沿著一個或多個擺線型路徑運動，在向陽極運動的過程中，獲得足夠高能量的電子與氣體分子碰撞再引起電離產(chǎn)生次級電子，最后電流受空間電荷限制達到與壓力相對應(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)管修復與標定工藝

2.1 規(guī)管標定平臺的設(shè)計與構(gòu)建

圖4為規(guī)管標定平臺示意圖，主要包括：真空室、1套抽氣機組、3臺TPG256A真空計、2根加熱帶、1套充氣系統(tǒng)（微調(diào)閥、減壓閥、高純氮氣）、1支標準規(guī)管、1臺工控機和支撐結(jié)構(gòu)。真空室體積約50 L，采用扁球形設(shè)計，環(huán)向?qū)ΨQ分布21個標準CF35法蘭接口，在真空穩(wěn)定的條件下，每個CF35法蘭接口處的實際壓力是相等的，可以同時標定19支PKR251型真空規(guī)管。抽氣機組由1臺機械泵和1臺分子泵組成，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℃。該平臺在抽氣檢漏后，經(jīng)過烘烤處理，最佳本底真空可達9.0×10-6Pa，而EAST裝置上PKR251型真空規(guī)管的測量范圍通常在1.0×10-5～1.0×105Pa，能夠滿足標定要求的真空條件。標準規(guī)管采用蘭州空間技術(shù)物理研究所校準標定的PKR251型真空規(guī)管[8]。

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

2.2 規(guī)管修復標定工藝

EAST裝置物理實驗結(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)管標定平臺對其進行測試。將全部規(guī)管安裝在標定平臺上，抽氣檢漏，并對真空腔體進行24 h的100℃烘烤，在室溫條件下，向真空室充入高純氮氣（99.999%）調(diào)節(jié)不同氣壓（10-6～105Pa），與標準規(guī)管比對，發(fā)現(xiàn)PKR251型真空規(guī)管的線性度均出現(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±1 000%，測試結(jié)果如圖5所示。因此，需要對全部PKR251型真空規(guī)管進行修復和標定，才可以在EAST裝置上再次使用。

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

2.2.1 規(guī)管修復

PKR251型真空規(guī)管的修復過程為：（1）標記，保持PKR251型真空規(guī)管修復前后零部件的一致性；（2）拆卸，參照圖2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，并輔以超聲波清洗，除去表面油脂類污染；（5）烘烤，極板和卡簧等金屬部件放入烘箱中烘烤半小時，電極和密封O圈等非金屬部件用電吹風熱風烘干；（6）組裝，在干燥環(huán)境下，佩戴無粉乳膠手套按照標記組裝全部規(guī)管；（7）檢漏，對組裝后的規(guī)管進行真空檢漏，漏率低于1×10-9Pa·m3/s，完成規(guī)管修復。

2.2.2 規(guī)管標定

將修復后的8支規(guī)管和1支PKR251型標準規(guī)管安裝到標定平臺，多余法蘭安裝CF35盲蓋。然后對該平臺真空系統(tǒng)抽氣，并通過噴氦氣整體檢漏，結(jié)果顯示漏率小于最小可檢漏率（5×10-9Pa·m3/s），再對標定平臺的真空腔體進行24 h、100℃烘烤，停止烘烤待真空腔體壁溫降至室溫后，標準規(guī)管的讀數(shù)為9.6×10-6Pa。室溫條件下，通過控制向充入真空室高純氮氣（99.999%）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，利用標準規(guī)每個量程標定4～5個采集點，最后分析比對標定結(jié)果（真空計型號為TPG256A）。

2.3 標定結(jié)果

8支PKR251型真空規(guī)管修復后，標定發(fā)現(xiàn)線性度較好，如圖6所示。其中#2、#3、#5、#7和#8真空規(guī)管在整個比對范圍內(nèi)誤差均小于30%（標稱誤差范圍內(nèi)），能夠滿足EAST裝置真空測量要求；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，并根據(jù)標定結(jié)果確定是否繼續(xù)使用，如圖7所示。

圖6 修復后標定結(jié)果曲線Fig.6 Calibration result after repair

圖7 各規(guī)管與標準規(guī)的讀數(shù)誤差曲線Fig.7 The reading error of every gauge and the standard

3 結(jié)論

通過對規(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，修復計量不準確或錯誤的PKR251型真空規(guī)管。搭建規(guī)管標定平臺模擬EAST裝置物理實驗時的真空環(huán)境，通過控制充入真空室內(nèi)高純氮的充氣速率，改變真空室內(nèi)的氣體壓力，比較單個規(guī)管與標準規(guī)的讀數(shù)，判定規(guī)管測量準確度，實現(xiàn)PKR251型真空規(guī)管的標定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)修復后的大部分真空規(guī)管在不同壓力下線性度較好，能夠滿足EAST裝置真空測量要求；小部分真空規(guī)管需要再次修復，并根據(jù)標定結(jié)果確定是否繼續(xù)使用。

這種規(guī)管修復和標定技術(shù)為EAST實驗提供了準確可靠的測量工具，能夠有效延長PKR251型規(guī)管使用壽命，避免資源浪費，為核聚變實驗節(jié)能環(huán)保提供技術(shù)支持。同時，建立了針對PKR251型規(guī)管的修復、標定程序，為今后的規(guī)管修復和標定技術(shù)提供了重要參考。

參考文獻：

[1]Gao X，Hu J S，Zhang T.Extension of operational limits on EAST[J].NuclFusion，2007，47：1353.

[2]萬寶年，徐國盛.EAST超導托卡馬克[J].科學通報，2015，60（23）：2157-2168.

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[8]孫雯君.高低溫真空校準技術(shù)研究[C]//中國計量測試學會真空計量專委會第十三屆年會，2013.