抗强干扰快速测量真空规管及仪器的研究

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　　托卡马克装置中存在强磁场、强电场,放电过程中真空度变化迅速。为满足这种特殊环境的真空测量要求,开展了抗强干扰快速测量真空规及仪器的研究。快规使用平板电极结构,在普通热阴极电离规管的基础上增加了调制极;仪器电路除完成稳发射、为加速极供电、离子流放大等基本功能外,它可以提供更大的灯丝电流,为调制极提供周期性脉冲电压,离子流和电子流放大器、调制/解调电路和锁相环电路相互配合,确保快速准确测量。仪器的主控制单元以微处理器为核心,可以设定系统运行的相关参数,离子流、发射电流、灯丝电流可供主控单元采集,以配合完成自动调整和相应控制。
  　　核聚变反应的实现需要高温度、高密度的环形等离子体真空环境。迅速准确测量装置内部的真空度对等离子体的控制、等离子体放电的实现、超导线圈的正常工作等极为重要，也为研究等离子的运动和相互作用、气体收集和偏滤器性能提供了重要的信息[1]。托卡马克装置内发生的核聚变反应有强磁场、高能粒子和强电场的干扰，而且放电过程压强的变化非常迅速，用普通真空规测量已经不能满足测控要求[2，3]。
  　　国外于上世纪80 年代开始研制抗强磁场快速响应电离真空规及仪器（以下简称快规），并得到成功应用，收到了较好的效果[3~5]。国内该领域的专家于本世纪初开展快规的研究，也取得了可喜进展，其成果已应用于HL- 2A 装置[1,3,6]。通观国内外同行在这方面开展的研究，引进的新思想及改进措施主要有：改善灯丝材料及结构，降低其受磁场产生的电动力影响；改进规管的电极材料及结构，减小带电粒子和高能中性粒子对规管常数的影响；在仪器电路上综合运用光电隔离、差分放大、锁相环、U/f 转换、串/ 并转换以及微处理器技术，等等。本文拟对快规研究的成果及进展作综合介绍。
  1、快规的要求
  　　聚变实验中，托卡马克在放电后200 s 以内迅速将等离子体成分从10- 1 Pa 抽到10- 5 Pa。在HL- 2A 放电的前几百毫秒，氢气压强一般为2×10- 2 Pa，在孔栏位形放电的初期，由于等离子体表面的抽气效应，偏滤器室内的中性压强迅速下降至10- 4 Pa[6]。可见气体放电时压强变化是一个非常快速的过程，且伴随着高温度、高密度等离子体的存在。普通热阴极电离真空规响应时间为秒量级，不能在强磁场、强电场下工作，抗干扰能力差，显然不能适应这种环境下快速、准确测量真空度的要求。聚变装置中的真空测量技术可归纳为管道外置测量和管内原位测量。管道外置测量是将真空计安装在超高真空抽气机组上，或者在偏滤器下部安装采样气管通向无磁场处用普通电离规测量。这种测量有失“及时性”和“现场性”。管内原位测量曾尝试使用过冷阴极潘宁规，但由于冷规在磁场下工作存在放电电流和压强滞后现象、放电不稳定、对污染敏感以及管道抽气效应的影响等，不能快速真实地反映偏滤器内的中性气体压强，最大误差可达到一个数量级以上，所以效果并不理想。
* F, S: B+ C$ m: W! R! Y! ]  　　有鉴于此，研制新型的满足特定要求的真空测量仪器被提上议事日程，其结果是抗强电磁场干扰、快速测量（ms 量级）的热阴极电离真空规及仪器应运而生。这种真空计安装在偏滤器中可对中性粒子的通量以及打在偏滤器靶板上的离子量进行原位测量，从而实现了对聚变实验中迅速变化压强的“及时”、“准确”、“现场”测量的要求。
  4、结语
  　　新型快速响应热阴极电离真空计，已成功应用在ASDEX、DⅢ- D、ASDEX Upgrade、JET、W7- AS及国内HL- 2A 等托卡马克装置中。实验显示，无磁场时在全程范围内线性度良好，最低下限为10- 6 Pa。在场强为6 T 的磁场环境中进行了测试，具有较强的抗干扰能力，规管对称轴与磁场夹角小于15°时，规管常数的变化小于10%，测量下限可以达到10- 5 Pa，响应时间为1ms。目前快规仍处在更深入的研究与改进之中，目标是进一步增强抗干扰能力，提高精度和稳定性，使用更加方便。