抗強干擾快速測量真空規管及儀器的研究

　　托卡馬克裝置中存在強磁場(chǎng)、強電場(chǎng),放電過(guò)程中真空度變化迅速。為滿(mǎn)足這種特殊環(huán)境的真空測量要求,開(kāi)展了抗強干擾快速測量真空規及儀器的研究�？煲幨褂闷桨咫姌O結構,在普通熱陰極電離規管的基礎上增加了調制極;儀器電路除完成穩發(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,為調制極提供周期性脈沖電壓,離子流和電子流放大器、調制/解調電路和鎖相環(huán)電路相互配合,確�？焖贉蚀_測量。儀器的主控制單元以微處理器為核心,可以設定系統運行的相關(guān)參數,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(dòng)調整和相應控制。

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

　　國外于上世紀80 年代開(kāi)始研制抗強磁場(chǎng)快速響應電離真空規及儀器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)快規），并得到成功應用，收到了較好的效果[3~5]。國內該領(lǐng)域的專(zhuān)家于本世紀初開(kāi)展快規的研究，也取得了可喜進(jìn)展，其成果已應用于HL- 2A 裝置[1,3,6]。通觀(guān)國內外同行在這方面開(kāi)展的研究，引進(jìn)的新思想及改進(jìn)措施主要有：改善燈絲材料及結構，降低其受磁場(chǎng)產(chǎn)生的電動(dòng)力影響；改進(jìn)規管的電極材料及結構，減小帶電粒子和高能中性粒子對規管常數的影響；在儀器電路上綜合運用光電隔離、差分放大、鎖相環(huán)、U/f 轉換、串/ 并轉換以及微處理器技術(shù)，等等。本文擬對快規研究的成果及進(jìn)展作綜合介紹。

1、快規的要求

　　聚變實(shí)驗中，托卡馬克在放電后200 s 以?xún)妊杆賹⒌入x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，偏濾器室內的中性壓強迅速下降至10- 4 Pa[6]�？梢�(jiàn)氣體放電時(shí)壓強變化是一個(gè)非�？焖俚倪^(guò)程，且伴隨著(zhù)高溫度、高密度等離子體的存在。普通熱陰極電離真空規響應時(shí)間為秒量級，不能在強磁場(chǎng)、強電場(chǎng)下工作，抗干擾能力差，顯然不能適應這種環(huán)境下快速、準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組上，或者在偏濾器下部安裝采樣氣管通向無(wú)磁場(chǎng)處用普通電離規測量。這種測量有失“及時(shí)性”和“現場(chǎng)性”。管內原位測量曾嘗試使用過(guò)冷陰極潘寧規，但由于冷規在磁場(chǎng)下工作存在放電電流和壓強滯后現象、放電不穩定、對污染敏感以及管道抽氣效應的影響等，不能快速真實(shí)地反映偏濾器內的中性氣體壓強，最大誤差可達到一個(gè)數量級以上，所以效果并不理想。

　　有鑒于此，研制新型的滿(mǎn)足特定要求的真空測量儀器被提上議事日程，其結果是抗強電磁場(chǎng)干擾、快速測量（ms 量級）的熱陰極電離真空規及儀器應運而生。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)現了對聚變實(shí)驗中迅速變化壓強的“及時(shí)”、“準確”、“現場(chǎng)”測量的要求。

4、結語(yǔ)

　　新型快速響應熱陰極電離真空計，已成功應用在A(yíng)SDEX、DⅢ- D、ASDEX Upgrade、JET、W7- AS及國內HL- 2A 等托卡馬克裝置中。實(shí)驗顯示，無(wú)磁場(chǎng)時(shí)在全程范圍內線(xiàn)性度良好，最低下限為10- 6 Pa。在場(chǎng)強為6 T 的磁場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行了測試，具有較強的抗干擾能力，規管對稱(chēng)軸與磁場(chǎng)夾角小于15°時(shí)，規管常數的變化小于10%，測量下限可以達到10- 5 Pa，響應時(shí)間為1ms。目前快規仍處在更深入的研究與改進(jìn)之中，目標是進(jìn)一步增強抗干擾能力，提高精度和穩定性，使用更加方便。