抗強(qiáng)干擾快速測量真空規(guī)管及儀器的研究

　　托卡馬克裝置中存在強(qiáng)磁場、強(qiáng)電場,放電過程中真空度變化迅速。為滿足這種特殊環(huán)境的真空測量要求,開展了抗強(qiáng)干擾快速測量真空規(guī)及儀器的研究�？煲�(guī)使用平板電極結(jié)構(gòu),在普通熱陰極電離規(guī)管的基礎(chǔ)上增加了調(diào)制極;儀器電路除完成穩(wěn)發(fā)射、為加速極供電、離子流放大等基本功能外,它可以提供更大的燈絲電流,為調(diào)制極提供周期性脈沖電壓,離子流和電子流放大器、調(diào)制/解調(diào)電路和鎖相環(huán)電路相互配合,確�？焖贉�(zhǔn)確測量。儀器的主控制單元以微處理器為核心,可以設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)參數(shù),離子流、發(fā)射電流、燈絲電流可供主控單元采集,以配合完成自動調(diào)整和相應(yīng)控制。

　　核聚變反應(yīng)的實(shí)現(xiàn)需要高溫度、高密度的環(huán)形等離子體真空環(huán)境。迅速準(zhǔn)確測量裝置內(nèi)部的真空度對等離子體的控制、等離子體放電的實(shí)現(xiàn)、超導(dǎo)線圈的正常工作等極為重要，也為研究等離子的運(yùn)動和相互作用、氣體收集和偏濾器性能提供了重要的信息[1]。托卡馬克裝置內(nèi)發(fā)生的核聚變反應(yīng)有強(qiáng)磁場、高能粒子和強(qiáng)電場的干擾，而且放電過程壓強(qiáng)的變化非常迅速，用普通真空規(guī)測量已經(jīng)不能滿足測控要求[2，3]。

　　國外于上世紀(jì)80 年代開始研制抗強(qiáng)磁場快速響應(yīng)電離真空規(guī)及儀器（以下簡稱快規(guī)），并得到成功應(yīng)用，收到了較好的效果[3~5]。國內(nèi)該領(lǐng)域的專家于本世紀(jì)初開展快規(guī)的研究，也取得了可喜進(jìn)展，其成果已應(yīng)用于HL- 2A 裝置[1,3,6]。通觀國內(nèi)外同行在這方面開展的研究，引進(jìn)的新思想及改進(jìn)措施主要有：改善燈絲材料及結(jié)構(gòu)，降低其受磁場產(chǎn)生的電動力影響；改進(jìn)規(guī)管的電極材料及結(jié)構(gòu)，減小帶電粒子和高能中性粒子對規(guī)管常數(shù)的影響；在儀器電路上綜合運(yùn)用光電隔離、差分放大、鎖相環(huán)、U/f 轉(zhuǎn)換、串/ 并轉(zhuǎn)換以及微處理器技術(shù)，等等。本文擬對快規(guī)研究的成果及進(jìn)展作綜合介紹。

1、快規(guī)的要求

　　聚變實(shí)驗中，托卡馬克在放電后200 s 以內(nèi)迅速將等離子體成分從10- 1 Pa 抽到10- 5 Pa。在HL- 2A 放電的前幾百毫秒，氫氣壓強(qiáng)一般為2×10- 2 Pa，在孔欄位形放電的初期，由于等離子體表面的抽氣效應(yīng)，偏濾器室內(nèi)的中性壓強(qiáng)迅速下降至10- 4 Pa[6]�？梢姎怏w放電時壓強(qiáng)變化是一個非常快速的過程，且伴隨著高溫度、高密度等離子體的存在。普通熱陰極電離真空規(guī)響應(yīng)時間為秒量級，不能在強(qiáng)磁場、強(qiáng)電場下工作，抗干擾能力差，顯然不能適應(yīng)這種環(huán)境下快速、準(zhǔn)確測量真空度的要求。聚變裝置中的真空測量技術(shù)可歸納為管道外置測量和管內(nèi)原位測量。管道外置測量是將真空計安裝在超高真空抽氣機(jī)組上，或者在偏濾器下部安裝采樣氣管通向無磁場處用普通電離規(guī)測量。這種測量有失“及時性”和“現(xiàn)場性”。管內(nèi)原位測量曾嘗試使用過冷陰極潘寧規(guī)，但由于冷規(guī)在磁場下工作存在放電電流和壓強(qiáng)滯后現(xiàn)象、放電不穩(wěn)定、對污染敏感以及管道抽氣效應(yīng)的影響等，不能快速真實(shí)地反映偏濾器內(nèi)的中性氣體壓強(qiáng)，最大誤差可達(dá)到一個數(shù)量級以上，所以效果并不理想。

　　有鑒于此，研制新型的滿足特定要求的真空測量儀器被提上議事日程，其結(jié)果是抗強(qiáng)電磁場干擾、快速測量（ms 量級）的熱陰極電離真空規(guī)及儀器應(yīng)運(yùn)而生。這種真空計安裝在偏濾器中可對中性粒子的通量以及打在偏濾器靶板上的離子量進(jìn)行原位測量，從而實(shí)現(xiàn)了對聚變實(shí)驗中迅速變化壓強(qiáng)的“及時”、“準(zhǔn)確”、“現(xiàn)場”測量的要求。

4、結(jié)語

　　新型快速響應(yīng)熱陰極電離真空計，已成功應(yīng)用在ASDEX、DⅢ- D、ASDEX Upgrade、JET、W7- AS及國內(nèi)HL- 2A 等托卡馬克裝置中。實(shí)驗顯示，無磁場時在全程范圍內(nèi)線性度良好，最低下限為10- 6 Pa。在場強(qiáng)為6 T 的磁場環(huán)境中進(jìn)行了測試，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，規(guī)管對稱軸與磁場夾角小于15°時，規(guī)管常數(shù)的變化小于10%，測量下限可以達(dá)到10- 5 Pa，響應(yīng)時間為1ms。目前快規(guī)仍處在更深入的研究與改進(jìn)之中，目標(biāo)是進(jìn)一步增強(qiáng)抗干擾能力，提高精度和穩(wěn)定性，使用更加方便。