Design of Differential Extraction Measurement System on EAST
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摘要:
在托卡马克装置运行过程中，装置内壁吸附的杂质粒子会释放到内真空室，影响等离子体的平稳运行。因此需要在放电前对装置进行壁处理清洗。设计了差分抽气测量系统，可以在保持内真空室气体比例不变的前提下降低压力，实现四极质谱仪的正常工作，检测壁处理清洗期间的气体成分。整个设计过程围绕关键部件小流导法兰的流导设计展开，采用粒子平衡法计算得出小流导法兰的设计参数。可以在分子流流态下将待测腔室的气压从10 Pa降低至约0.01 Pa。设计结果为类似高压力条件下气体成分监测设备的设计提供参考。
Abstract:During the operation of the Tokamak device, impurity particles adsorbed on the first wall are released into the inner vacuum chamber, affecting the smooth operation of the plasma. Therefore, it is necessary to perform wall treatment on the device before discharge. A differential extraction measurement system is designed that can reduce gas pressure while maintaining the same proportion of gas in the inner vacuum chamber, achieve the normal operation of a quadrupole mass spectrometer, and monitor gas composition during wall treatment. The entire design process is carried out around the conductance design of the key component a small conductance flange, and the gas balance method is used to calculate the design parameters of the small conductance flange. It is possible to reduce the pressure of the test chamber from 10 Pa to about 0.01 Pa in the molecular flow state. The results provide reference for the design of gas composition monitoring equipment under similar high-pressure conditions.
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Keywords:
- wall treatment /
- residual gas analysis /
- EAST
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0. 引言
东方超环（Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST）是全球首个全超导托卡马克核聚变实验装置，于2006年建成并实现首次放电，其设计目的是高功率长脉冲等离子体的运行[1]。作为拥有大拉长非圆截面等离子体位形全超导托卡马克装置，EAST装置将为国际热核聚变实验堆工程（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）提供设计与运行经验[2]。
在类似EAST的托卡马克装置的运行过程中，其装置内壁吸附的杂质粒子会进入纯净的等离子体中，破坏高温等离子体的运行的稳态，影响长脉冲等离体子放电的实现[3]。因此，在放电实验前需对装置进行壁处理清洗，降低面向等离子体的第一壁吸附杂质的含量[4]。壁处理期间装置内真空室的压力最高可达10 Pa，最高压力远超过普通四极质谱仪的最高工作压力（约5×10−2 Pa），常规的原位质谱测量方法无法直接使用[5]。因此，需要对装置内的气体进行差分取样，即在保持气体组分比例不变的前提下降低压力，然后再通过质谱仪对壁处理期间的气体成分进行监测[6]。
本文设计了针对EAST装置的差分抽气测量系统，可以满足在壁处理期间高压力条件下的托卡马克内真空室气体组分检测。相关分析测试结果对需要在高压力条件下检测真空室气体组分的同类装置提供了设计参考。
1. 理论设计
对于压力较大，不便于进行残余气体分析的腔体，可以将其与一个小的真空腔体相连。两腔体之间通过流导较小的管路相连，小腔体单独配置真空泵组。在小流导管路的作用下，小腔体内的压力相比大腔体内的压力下降了一定比率，但气体成分比例仍与大腔体保持一致。再对小腔体进行残余气体组分分析，通过换算就可得到大腔体的残余气体组分。
图1为EAST装置上差分抽气测量系统设计方案的基本结构。差分真空室通过一个小流导管与EAST装置内真空室相连，经过小流导管的气体将保持原有组成比例，并且压力下降至四极质谱仪的工作压力范围。这样通过分析与计算即可获得装置内各气体的分压数据。阀1是手动插板阀，直接与EAST装置相连。阀2是气动插板阀，在差分系统工作时处于常闭状态。本质上，阀2的存在与否并不会影响差分系统正常工作，其设计目的在于作为一种备用的原位质谱监测手段。在装置现有原位质谱仪发生故障时，可将阀2开启。此时，与主通路相比小流导Cm可忽略不计，整个差分测量系统失去降压作用，变为原位质谱测量系统，可在需要时替代原有的原位质谱测量系统。可以看出，整个差分测量系统最为关键的就是小流导Cm的设计。差分真空室的气体平衡方程为[7]：
$$ \frac{\mathrm{d}p_2}{\mathrm{d}t}V=\left(p_1-p_2\right)C\mathrm{_m}-S_{\mathrm{P}}p_2 $$ (1) 式中：V为差分真空室的体积；p2为差分真空室内的压力；p1为EAST装置内真空室压力；SP为差分系统泵组的抽速；t为时间。
稳态时，差分真空室内压力达到动态平衡，则有：
$$ \left(p_1-p_2\right)C_{\mathrm{m}}=S_{\mathrm{P}}p_2 $$ (2) 则小流导可表示为：
$$ C_{\mathrm{m}}=\frac{p_2}{p_1-p_2}S_{\mathrm{P}} $$ (3) p2是差分真空室内的压力，因其直接与四极质谱仪相连，故压力理想值为5×10−2 Pa左右。p1是EAST装置进行壁处理清洗时的压力，最高可达10 Pa量级，计算流导时取p1压力数值的两倍做冗余安全设计。差分系统要求真空本底较好，在满足应用条件的前提下选择较为常用的抽气机组，分子泵选用中科科仪FF-100/300型涡旋分子泵，其对He抽速为250 L/s [8]，前级泵选用沈阳纪维GWSP150无油涡旋真空泵，额定抽速为2 L/s，极限真空约为6 Pa [9]。
根据式（3）可以计算出所需流导为：
$$ C_{\mathrm{m}}=\frac{p_2}{p_1}S_{\mathrm{P}\mathrm{ }}=\frac{5\times10^{-2}}{20}\times250=6.25\times10^{-4}\; \mathrm{m}^3/\mathrm{s} $$ (4) 小流导Cm的实现方式是在图1中的通路A上添加一个法兰，法兰中心开一个毫米级小孔。因此选择尺寸较小的CF16法兰，厚度为7 mm，去除刀口轴肩高度，小孔有效长度为5 mm。为得到小孔直径的合适值，对其流导进行计算校验。首先需要判断差分真空室中的流态。
氦原子平均自由程：
$$ \overline{\lambda}=\frac{kT}{\sqrt{2}{\text{π}} d^2\overline{p}}=1.9\ \mathrm{mm} $$ (5) 式中：k是玻尔兹曼常数；T为温度，式中取室温293.15 K；d为氦原子直径取0.218 nm；$ \overline{p} $为管路中的平均气压，取可能的最高气压为10 Pa，即（p1-p2）/2。
克努曾数：
$$ Kn=\frac{\overline{\lambda}}{D}=0.78 $$ (6) 式中：D为流管特征直径，取2.5 mm。
根据克努曾分子流判别式：$ Kn > 1/3 $[10]，式（6）计算结果为0.77，大于0.33，因此认为法兰小孔内的流态为分子流。
分子流态下，圆柱短管道的流导的计算公式为：
$$ {U}_{\mathrm{f}}=\alpha {U}_{\mathrm{o}.\mathrm{f}} $$ (7) 式中：$ {U}_{\mathrm{o}.\mathrm{f}} $为圆孔流导；α为克劳辛系数，其与短管道的长径比相关。
$$ {U}_{\mathrm{o}.\mathrm{f}}=\sqrt{\frac{RT}{2{{\text{π}}}M}}{A}_{0}=\sqrt{\frac{T}{M}}{d}^{2} $$ (8) 式中： M为气体的相对原子质量；d为管道直径；R为摩尔气体常数；A0为圆孔的面积。
根据式（8），计算得出当d为2.5 mm时，其流导Uf大小为：
$$ U_{\mathrm{f}}=\alpha U_{\mathrm{o}.\mathrm{f}}=0.359\times0.9\sqrt{\frac{T}{M}}d^2=5.51\times10^{-4}\mathrm{\ m}^3/\mathrm{s} $$ (9) 在壁处理清洗时有He与氘气（D2）两种可选的工作气体，D2的计算过程与He类似，且二者分子量相同，表1给出两种气体的物理性质的计算结果。
表 1 壁处理清洗的工作气体的物理性质Table 1. Physical properties of working gas for wall treatment名称 相对原子
质量动力学
直径/nm平均自
由程/mm克努曾数
判据比值He 4 0.218 1.9 0.78 D2 4 0.275 1.2 0.49 根据式（9），管道的Uf与设计值Cm基本一致，最高承压约为50 Pa，满足EAST装置的使用要求。所以，该小孔流导的最终设计参数直径为2.5 mm，长度为5 mm。
2. 系统构建
根据理论计算结果，设计了适用于EAST装置差分抽气测量系统，如图2所示。
该系统通过顶部的一个CF35法兰与EAST装置的内真空室相连。左侧C型管路即为差分系统的工作通路。小流导法兰的设计安装采用三层堆叠的方式，左侧与波纹管末端固定联接的CF16法兰相接，右侧与差分真空固定联接的CF16法兰相接。差分真空室为圆柱形，内径为100 mm，深为160 mm，容积约为1.6 L。差分真空室四周焊接有三个L形取样管，间隔120°。取样管连接端为CF35刀口法兰，分别用于真空计、四极质谱仪安装以及其他功能配件备用。本系统使用的四极质谱仪为美国SRS公司的RGA100质谱仪，质量检测范围为1~100 amu，分辨率优于0.5 amu，最大工作压力为5×10−2 Pa[11]。真空计采用的是德国普发公司的PKR 361真空计，测量范围为10−9～103 hPa[12]。差分真空室下端通过CF100刀口法兰与涡轮分子泵机组连接。
3. 测试结果
差分抽气测量系统搭建完成后在实验室进行了台面测试。对差分真空室进行烘烤处理后抽气，最低压力为4.8×10−6 Pa。测试实验使用一个大型真空室代替EAST内真空室，将该测试真空室与差分真空室相连后先后通入N2与He测试差分抽气测量系统的性能。打开小流导法兰上方的角阀连通两真空室，向测试真空室充入N2使其压力升至10 Pa左右，此时差分真空室的压力为1.3×10−3 Pa。随后停止充气并打开涡旋分子泵角阀使其压力稳步下降并记录，完成第一次测试。待两真空室压力下降至本底左右，随后开始第二次充入He测试，此时测试真空室压力为1.4×10−3 Pa，差分真空室压力为9.4×10−6 Pa。向测试真空室内通入He使压力升至100 Pa左右，重复上述操作完成测试。
整个测试过程中两真空室压力对比如图3所示，可以明显看出两次充气过程中压力的升降变化。可以发现在两次充气过程中，两真空室的压力呈现明显的相关性。具体地，测试真空室与差分真空室相比，压力从10 Pa降低至约0.01 Pa。进一步分析两次充气过程中差分真空室中N2与He的压力变化，可以得到其与理论值的差距，如图4所示。
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图 3 测试过程两真空室内的总压与分压Figure 3. The total pressure and partial pressure in the two chambers during the testing process可以发现两种气体实测值与理论值存在一定误差，实测值总体略高于理论值，但差异很小，在真空计的测量误差范围内。总体上两种气体的实测值线性度较好，符合设计目标。
设计中该系统添加了原位质谱的功能。如图1所示，打开阀2，通路B即为差分测量装置提供了一个大的流导，此时的差分测量系统降压作用减小，可以接近原位质谱使用。实验中进行了该项测试，相关结果如图5所示。
此时，差分测量系统流导较大，仅有很小的降压作用，从测试的大真空室到差分系统的小真空室，压力从7 Pa降低至约0.5 Pa。原位质谱功能在EAST装置内真空室压力较低时可以使用，可以在一定程度上代替EAST装置现有的原位质谱仪测量系统。
4. 总结
本文利用粒子平衡法对EAST装置的差分抽气测量系统进行了理论分析与设计，获得了关键部件小流导法兰的设计参数。设计结果表明，小流导法兰中心长为5 mm、直径为2.5 mm的小孔在分子流态下对He的流导为5.51×10−4 m3/s，差分真空室的设计参数为：内径为100 mm、深为160 mm、容积约为1.6 L。此时可以很好地解决差分抽气测量系统在EAST装置壁处理条件下，由于高压力导致普通四极质谱仪无法工作的问题。测试结果表明，该装置可以在差分真空室内有效地将测试真空室的压力从10 Pa降低至约0.01 Pa，可以满足EAST装置在壁处理期间对其内真空室气体组分监测的要求，最高可以在装置内压力达到50 Pa时承担测试任务。当EAST装置内部压力较低时，可以将阀2打开，将该装置用作原位质谱仪使用。为EAST装置实验期间的检测、维护以及将来的长脉冲等离子体放电及其他物理实验的开展提供真空方面的硬件支撑。
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图 3 测试过程两真空室内的总压与分压
Figure 3. The total pressure and partial pressure in the two chambers during the testing process
表 1 壁处理清洗的工作气体的物理性质
Table 1 Physical properties of working gas for wall treatment
名称 相对原子
质量动力学
直径/nm平均自
由程/mm克努曾数
判据比值He 4 0.218 1.9 0.78 D2 4 0.275 1.2 0.49 
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