四極質(zhì)譜計(jì)用作等離子體診斷時(shí)的幾個(gè)問題

　　四極質(zhì)譜計(jì)用于等離子體診斷時(shí)常常面臨質(zhì)譜計(jì)工作上限問題和四極質(zhì)譜計(jì)離子源所產(chǎn)生的本底組分分壓強(qiáng)導(dǎo)致測量結(jié)果有較大誤差的問題; 為使四極質(zhì)譜分析能作為等離子體診斷的常規(guī)手段, 必須拓展四極質(zhì)譜計(jì)測量上限和分析離子源產(chǎn)生的附加本底的特點(diǎn)并加以扣除, 確保作為等離子體診斷時(shí)的測量精度。

　　四極質(zhì)譜計(jì)(QMS) 是由小型離子源和小型四極分析器構(gòu)成的氣態(tài)物質(zhì)組分檢測設(shè)備, 也是托卡馬克裝置運(yùn)行時(shí)的氣態(tài)雜質(zhì)檢測的常用設(shè)備。其優(yōu)點(diǎn)在于其輕便、高分辨和高靈敏度, 且使用時(shí)不需用磁場。然而離子源和四極分析器中非線性因素的存在, 其測量上限受到總壓強(qiáng)的限制, 離子源的工作上限約為0.1Pa, 分析器測量上限一般為10^-2 Pa。在用于托卡馬克裝置中的診斷時(shí), 四極質(zhì)譜計(jì)測量要面臨如下問題: 托卡馬克放電時(shí)的送氣壓強(qiáng)為10^-1～10^-2 Pa, 輝光放電清洗時(shí)的工作壓強(qiáng)為1～10^-2 Pa,托卡馬克放電工作壓強(qiáng)為10^-1～10^-5 Pa, 它們的上限都超過四極質(zhì)譜計(jì)測量上限(10^-2Pa)。同時(shí)工作氣體氫氣與離子源灼熱燈絲(1800～2000 K) 碰撞會產(chǎn)生分解反應(yīng), 繼而與電極系統(tǒng)或分析室壁表面所吸附的碳氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng), 形成附加的本底組分, 疊加在待測組分上, 造成采集數(shù)據(jù)的較大誤差。雖然目前采用差分抽氣法能解決測量上限的非線性問題,但仍不能消除電極系統(tǒng)產(chǎn)生附加本底組分的影響。若不用差分抽氣而直接用于等離子體診斷, 還需對四極質(zhì)譜計(jì)的測量上限進(jìn)行拓展。本文就對四極質(zhì)譜計(jì)直接用于10^-1～10^-2 Pa 測量范圍時(shí)的分析器測量上限的拓展和電極系統(tǒng)中產(chǎn)生附加本底組分的消除進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1、實(shí)驗(yàn)安排

　　實(shí)驗(yàn)在HL-1M 裝置上進(jìn)行(裝置真空室內(nèi)有壁5% 的石墨)。實(shí)驗(yàn)安排如圖1 所示。關(guān)斷質(zhì)譜計(jì)分析室與裝置真空室間的隔離閥, 將分析室抽至5×10^-5 Pa, 通過PV-10 壓電晶體閥向分析室送入由超純氫發(fā)生器產(chǎn)生的高純氫氣, 由真空計(jì)測量壓強(qiáng),待每個(gè)實(shí)驗(yàn)壓強(qiáng)點(diǎn)穩(wěn)定后, 由四極質(zhì)譜計(jì)測出分析室內(nèi)雜質(zhì)組分H2O , CO , CH4 相應(yīng)的分壓強(qiáng), 取三次的平均值。然后打開隔離閥, 用四極質(zhì)譜計(jì)測量裝置真空室本底真空的分壓強(qiáng)(H2O , CO , CH4 ) , 再啟動氦直流輝光放電(在四極質(zhì)譜計(jì)分析室的等效氮壓強(qiáng)為10^-3 Pa) , 在600 V、1. 2 A 下測出裝置真空室內(nèi)的H2、CO、H2O、CH4 分壓強(qiáng)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中保持四極質(zhì)譜計(jì)的工作參數(shù)不變。

1.抽氣機(jī)組　2.四極探頭　3.小孔　4.進(jìn)樣咀　5.環(huán)形室　6. 真空計(jì)　7.四極質(zhì)譜計(jì)　8.終端

圖1　HL-1M 裝置的質(zhì)譜診斷系統(tǒng)

2、四極質(zhì)譜計(jì)測量上限的拓展

4、結(jié)論

　　直接使用四極質(zhì)譜計(jì)測量總氣壓在10^-1～10^-2 Pa的氣體時(shí), 此為質(zhì)譜計(jì)的非線性工作區(qū), 由于離子流在四極場中與氣體分子碰撞導(dǎo)致離子流通過率小于1, 應(yīng)使用P _i= I _ci ⁺ /(k _i G) 計(jì)算各組分分壓強(qiáng); 當(dāng)總氣壓低于10^-2 Pa 時(shí), 此為質(zhì)譜計(jì)的線性工作區(qū), 離子流通過率可近似為1, 由質(zhì)譜計(jì)直接測量出各組分氣體的分壓強(qiáng)。由于氫氣與離子源的熱燈絲作用及其它相關(guān)化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生本底組分, 尤其是水的本底組分壓強(qiáng)較高(它正比于氫分壓和燈絲發(fā)射電流) , 在較高精度的測量中需考慮扣除本底組分分壓強(qiáng)的影響。

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