抗強干擾快速測量真空規(guī)管及儀器的分析

抗強干擾快速測量真空規(guī)管及儀器的分析托卡馬克裝置中存在強磁場、強電場,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,開展了抗強干擾快速測量真空規(guī)及儀器的研究?？煲?guī)使用平板電極構造,在普通熱陰極電離規(guī)管的根底上增加了調制極;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,以配合完成自動調整和相應控制。

核聚變反應的實現需要高溫度、***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、等離子體放電的實現、超導線圈的正常工作等極為重要，也為研究等離子的運動和相互作用、氣體收集和偏濾器性能提供了重要的信息[1]。托卡馬克裝置內發(fā)生的核聚變反應有強磁場、高能粒子和強電場的干擾，而且放電過程壓強的變化非常迅速，用普通真空規(guī)測量已經不能滿足測控要求[2，3]。

國外于上世紀80年代開始研制抗強磁場快速響應電離真空規(guī)及儀器（以下簡稱快規(guī)），并得到成功應用，收到了較好的效果[3~5]。國內該領域的專家于本世紀初開展快規(guī)的研究，也取得了可喜進展，其成果已應用于HL-2A裝置[1,3,6]。通觀國內外同行在這方面開展的研究，引進的新思想及改良措施主要有：改善燈絲材料及構造，降低其受磁場產生的電動力影響；改良規(guī)管的電極材料及構造，減小帶電粒子和高能中性粒子對規(guī)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，等等。本文擬對快規(guī)研究的成果及進展作綜合介紹。

1、快規(guī)的要求

聚變實驗中，托卡馬克在放電后200s以內迅速將等離子體成分從10-1Pa抽到10-5Pa。在HL-2A放電的前幾百毫秒，氫氣壓強一般為2×10-2Pa，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10-4Pa[6]?？梢姎怏w放電時壓強變化是一個非?？焖俚倪^程，且伴隨著高溫度、***度等離子體的存在。普通熱陰極電離真空規(guī)響應時間為秒量級，不能在強磁場、強電場下工作，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磁場處用普通電離規(guī)測量。這種測量有失“及時性”和“現場性”。管內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滯后現象、放電不穩(wěn)定、對污染敏感以及管道抽氣效應的影響等，不能快速真實地反映偏濾器內的中性氣體壓強，最大誤差可到達一個數量級以上，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，其結果是抗強電磁場干擾、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開展原位測量，從而實現了對聚變實驗中迅速變化壓強的“及時”、“準確”、“現場”測量的要求。

4、結語

新型快速響應熱陰極電離真空計，已成功應用在ASDEX、DⅢ-D、ASDEXUpgrade、JET、W7-AS及國內HL-2A等托卡馬克裝置中。實驗顯示，無磁場時在全程范圍內線性度良好，最低下限為10-6Pa。在場強為6T的磁場環(huán)境中開展了測試，具有較強的抗干擾能力，規(guī)管對稱軸與磁場夾角小于15°時，規(guī)管常數的變化小