【毕业学位论文】（Word原稿）SUNIST球形托卡马克真空系统— 系统、运行、壁处理及质谱分析-核科学与工程物理

形托卡马克真空系统 系统、运行、壁处理及质谱分析 (申请清华大学工学硕士学位论文 ) 院（系、所 ） ： 工程物理系 专 业 ： 核科学与技术 研 究 生 ： 肖 琼 指导教 师 ： 何 也 熙 教 授 2004年 6 月 关于论文使用授权的说明 本人完全了解清 华大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存该论文。 (涉密的学位论文在解密后应遵守此规定 ) 签 名： 导师签名： 日 期： - I - 中文摘要 中国第一台球形托卡马克装置，其建造目的在于扩展对低环径比的环形等离子体物理的理解，并由非感应方法启动产生一个可维持的靶等离子体，用以研究相关的物理问题。 本次论文工作的主要任务是建立并运行 置的真空系统，对装置进行壁处理，为等离子体放电实验提供一个清洁的真空环境。 本次论文工作完成了真空室与系统的清洗、组装、运行和维护，设计制作 阻贴片烘烤电路对真空室进行了烘烤除气，10漏放率控制在低于 10m3/s 的水平；设计制作了送气系统以及压电阀脉冲送气电源，并对 (国产 )与 （美国产）压电阀的脉冲特性进行了测试和比较；设计制作了装置的辉光放电系统，通过对真空室内壁进行氦直流辉光放电清洗（ 低了壁中氧杂质的含 量；利用掺硅烷的辉光放电对真空室内壁进行了等离子体化学气相沉积（ 使内壁沉积上一层非晶硅薄膜，改善了等离子体放电的品质；利用四极质谱计测量真空室残留气体的质谱，分析了本真空系统残留气体的组成和分压。 关键字 ： 球形托卡马克， 空，硅化，质谱分析 - is to of at a by of is to to of a is up of A is TC of 10a to 10a m3/s. We of S A is to of e 2. is a of is on of We of in a of 目 录 第 1 章 引言 . 1 从托卡马克到球形托卡马克 . 1 核聚变装置中的真空技术 . 3 课题工作 . 4 第 2 章 空室安装 . 5 置简介 . 5 真空室安装 . 7 空部件清洗 . 7 声清洗 . 8 形真空 室组装 . 10 兰窗口的密封 . 11 空室壁上的探针线圈安装 . 13 第 3 章 空抽气和检漏 . 18 抽气机组及安装 . 18 主抽泵组 . 18 维持泵 . 21 抽气情况 . 23 真空检漏 . 25 检漏仪及接入方式 . 25 检漏调试 . 27 总装检漏 . 29 实验过程中出现的漏孔 . 31 第 4 章 送气系统 . 32 气系统介绍 . 32 与 压电阀脉冲特性测试 . 33 试验安排 . 33 - 试验的参数范围 . 36 电阀的送气量 . 36 电陶瓷充气阀的脉冲特性 . 38 测试结论 . 40 压电阀脉冲电源 . 40 第 5 章 真空烘烤 . 43 件烘烤方案 . 43 烘烤实验装置 . 44 烘烤电源 . 47 烘烤运行 . 49 第 6 章 辉光放电清洗 . 51 直流放电 . 51 辉光放电清洗装置 . 52 清洗原理 . 52 单阳极清洗的不足和解决方法 . 53 辉光放电电源 . 56 辉光放电清洗 . 57 第 7 章 真空室内壁硅化沉积处理 . 60 真空室内壁原位处理技术进展 . 60 真空室内壁硅化的原理 . 61 化沉积实验 . 62 硅化处理后的托卡马克放电特点 . 63 第 8 章 残留气体质谱分析 . 65 四极质谱计 . 65 残余气体质谱分析 . 65 结 论 . 70 - V - 参考文献 . 71 致 谢、声明 . 73 个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文 . 错误 !未定义书签。 第 1 章 引言 - 1 - 第 1 章 引言 从托卡马克到球形托卡马克 托卡马克问世于前苏联库尔恰托夫研究所，其简单原理是：在一个环形的真空室中，由强环形磁场和等离子体电流产生具有旋转变换的环形对称的磁场位形，提供约束等离子体的条件。按照“劳逊判据”，等离子体温度 T，等离子体密度 n 与能量约束时间 E 的三乘积 大于 5 1021s 时氘氚聚变反应才能自持地进行 1。 1965 年苏联 置取得了比当时西方装置高两个数量级的能量约束时间，这一惊人的实验结果开创了托卡马克时代。 1991 年 9 月，欧共体的 卡马克装置成功地实现了聚变历史上第一次氘氚运行实验，获得的聚变功率输出为 W，能量增益因子 Q=。 2003 年， 1020s 3这一重要参数在过去 20年内已经提高了万倍，已经非常接近点火的指标。 1986 年，美籍 科学家彭元凯提出，当托卡马克等离子体的环径比减小到一定程度（环径比 R/a = A 410反应极快，两次灌胶，未完全排除 3 西半球上三联 710后 0应慢，疑飘别处 4 东半球上三联中 510后排除 5 南侧对接处附近的本底 6 钛泵抽管北角阀上 210后仍有，灌 胶后排除，拟换 7 钛泵抽管中压电阀整体 310响真空室压力，调节阀芯压紧，至最大改善，未根除。 8 压波纹管上、电极 210110改善，灌胶后排除 9 璃 110加螺栓，待处理 10 方北下 510影响真空，紧后改善，灌胶再紧，未完全排除 11 电极 510后（紧时真空大动，后恢复）灌胶后排除 检漏操作过程中气压变化情况如表 3 表 3检漏操作过程中的气压变化 时间 气压 (跳变为 (原因 9： 41 0 10： 40 0 11： 20 00钛泵抽管南角阀 13： 00 00 方 13： 45 0 14： 00 0 00X 后方灌胶后两分钟 第 3 章 空抽气和检漏 - 31 - 16： 00 0 0100压电阀角阀、调芯压力 17： 25 00压电阀角阀 /关阀停泵 18： 30 0漏、放气 实验过程中出现的漏孔 装置装已运行了两年多，在等离子体放电实验中振动很大，这个过程中出现了一些新的漏孔 ,我们都随时发现即进行了检漏和处理。其中尚有两处漏孔无法根本性解决，必须等装置拆封，暴露大气之后才能处理。一处是软 X 射线阵列后方矩形法兰密封，它存在两个问题。一是使用的氟橡胶垫圈是非标准的，其压缩余量不够，密封得不紧，有待更换；另外，其法兰密封螺栓紧固结构中的聚四氟乙烯绝缘垫圈会发生塑性形变，容易导致脱栓松动。另 一处是东半球下方三联法兰的外侧 兰根部焊接有漏。喷胶大约 5 分钟后，真空计指示有突然跳变增大，再缓慢变小，然后又跳变增大的周期性变化。分析这种现象的原因，可能是由于漏孔在真空室内部焊缝上，并且不小，从外部喷的真空胶通过漏孔到达真空室内时由于表面张力作用形成气泡，气泡逐渐增大突然破裂从而导致真空计指示的跳变，在真空胶完全凝固之前气泡会一个接一个的形成，导致气压周期性变化。我们从外侧用环氧真空胶在法兰根部大面积均匀涂覆，暂时排除了漏孔，根本性的解决要等下一次拆卸装置时在内侧焊缝处补焊。 第 4 章 送气系统 - 32 - 第 4 章 送气系 统 气系统介绍 在受控核聚变的托卡马克实验装置中，实验气体（氢、氚或氦）要在环形真空室内击穿、电离、形成等离子体电流。实验的加料方式对于等离子体的特性有着重要的影响。托卡马克加料方式有脉冲送气 15、分子束注入和弹丸注入，其中脉冲送气是最为简单且广泛使用的常规送气方式。 气系统的功能包括： 1. 本底送气：为建立初始等离子体密度提供本底气量； 2. 补充送气：提供增加等离子体密度的气量和控制等离子体成分； 3. 连续送气：为辉光放电和壁现场沉积处理提供要求的气体成分和气量。 送气的关键部 件是送气阀，大型装置一般采用快速脉冲电磁比例阀，如 只流率为 80Pam3应时间为 10小装置一般采用压电晶体阀，如美国 ，俄罗斯 只流率为 10 Pam3应时间为 2气系统采用压电晶体阀向真空室内送气，在放电前建立约 10右的气压。为了给 气系统选择合适的压电阀，我们对国产 压电阀和美国的 电阀进行了送气率和脉冲送气特性的测试。实验表明二者都具有优秀的脉冲响应重复性，可满 足 要求。尽管 测试的 在可靠性指标上经过了十数年的考验。 气系统详见图 4中超纯氢发生器后来由于生成的氢气不够纯（含水），拟用超纯氢气瓶取代。 第 4 章 送气系统 - 33 - 真空室A P G 2G 3储气罐G 1 G 1 G 2G 2G 2G 1G 4V 1 V 1V 1V 2V 2V 2V 3 V 3 V 3V 4 V 4 V 4V 2 V 2 V 2G 1 电阻规 V 1 真空隔断阀G 2 气压表 V 2 真空角阀G 3 电离规 V 3 真空调节阀G 4 电容规 V 4 压电阀A P C 自动压力控制器纯氢发生器气瓶储气罐 储气罐气瓶送气系统总示意图 与 压电阀脉冲特性测试 试验安排 本实验是在 空室组装之前（ 2001 年）进行的，我们使用 道由 1锈钢制造，长840径 200端为 兰、分别用 150 的法兰与 用两只 法兰连接测量系统与压电阀。整个系统的体积约为 空室系统的 1/25 左右。试验中我们直接将大气做气源，当换算到氢、氘的送气量时，要考虑不同压力范围流导变化的效应。 试验中使用一台中科院科仪中心的 s 分子泵作为主泵。成都成华电子仪器厂的复合真空计监视抽气过程的气压变化。 第 4 章 送气系统 - 34 - 试验装置简图如图 4示： T M V 2G 3G 2G 1G 1V 1 V 1真空室V 2G 1 电阻规 G 2 电容规 G 3 电离规 V 1 压电阀V 2 真空角阀V 3 真空隔断图 4压电阀测试实验装置 压电阀送气过程中的气压变化由德国 容规测量。该规的量程为 10 110性的电压响应从 1 到 规管的温度效应为满量程的 ，响应时间常数为 30间常数稍长，不能准确反映真空室的气压变化过程。但对于测量静态送气量及判断动态送气的重复性是可靠的。 自制的脉冲压电阀电源，电压在 0 到 200V，脉冲宽度在 0 到 100间调节。电 源接 电阀后，阀电压上升沿采集如图 4压从 0V（标尺线D）上升到平顶值 134V（标尺线 U），所用的时间为标尺线 A 与 B 的差值 260 s。图中显示 指阀电压经 100:1 分压之后的读数。 第 4 章 送气系统 - 35 - 图 4升沿 电源接 压电阀后，阀电压上升沿采集如图 4压从 0V（标尺线 D）上升到平顶值 78V（标尺线 U，分压后读数为 780所用的时间为标尺线 的差值 420 s。 图 4压电阀电压 上升沿 试验中，驱动压电阀的电压脉冲和电容规的电压响应用北京市迪阳科技发展公司的 拟示波器采集并在 上显示。 对比用的 电阀原为 卡马克装置上使用的送气阀，已使用了十年以上。我们的试验仅为 置压电阀选型，如果纯粹为了做产品第 4 章 送气系统 - 36 - 对比应该设法找到一只新 电阀。 试验的参数范围 在放电时，压电阀以大气量送气。控制启动电压的脉冲宽度以得到合适的送气量，调节气量的标记参数是放电时刻（动态过程的最大气压）的真空室气压值。 我们希 望试验的参数选取尽量模拟实际放电的情况。 置真空室体积约 上管道空间，按 1算。不考虑送气过程中的涡论分子泵的抽气效应，建立起约 10压所需气量为 10虑到分子泵抽气效应及真空室体积因素，以及电容规响应电压测量精度几种因素，我们将送气后的最高电容规响应电压控制在 应的气压值为 上。 我们同时利用试验真空室对压电阀脉冲送气的静态气压响应，测量了在试验参数范围的压电阀送气量的试验。 该压电阀出厂时并 没有给出送气量的指标。压电阀的送气量是由固定在压电陶瓷片上的密封垫片与出气管口之间的距离确定的，由于密封的要求和压电陶瓷片在电压作用下的移动尺度的限制，这一距离是很小的，同时出气口的孔径也很小。这使得压电阀的送气量一般很小， 2m3/s 较为普遍。 在进行这项试验时，由于我们在分子泵和真空室之间未装阀门，所以仅用机械泵将系统维持在 2下的气压，充气时关闭前级阀门。 我们试验了两种压电阀驱动电压，分别是 压后读数为 752、888脉宽 容规的电压响应分 别为 底 折算气压为 P = (V) 别见图 4 b）。 第 4 章 送气系统 - 37 - (a) (b) 图 4电阀的静态脉冲响应波形 两种驱动电压下 Q=PV/m3/s，应当算是大送气量的压电阀。如果继续加大压电阀驱动电压、调节压电阀内的密封压紧螺钉 ,还应当可以将送气量提高不少。但由于 这个数据已充分满足送气要求，同时 电阀推荐使用最高电压为 100V，我们没有进一步做最大送气量的试验。试验中的读数重复性极好，所有误差均由测量和采第 4 章 送气系统 - 38 - 集系统的系统误差决定。在托卡马克的放电过程中，影响对送气量需要的因素太多，我们追求的是送气量的稳定（送气量及响应速度），并不很在乎压电阀对驱动电压的绝对响应（包括幅值及动态过程）。所以在整个试验中，没有考虑测量、采集系统的标定和绝对精度问题。 在对 电阀的一般性能调试中，看到该阀在 40V 以下的驱动电 压作用下即可平滑开启，开启后气压即随驱动电压的升高而升高。可能因为经过了长期使用，对照的 电阀要在高得多的电压和脉冲宽度下才能开启，最初开启时即有很大的送气量，以后的开启情况转为正常。两种阀的脉冲响应特性如图 4中横坐标表示时间，刻度为 32ms/容规响应的刻度为 1V/ (a) 第 4 章 送气系统 - 39 - (b) 图 4a）和 b）压电阀的脉冲响应特性 表 4出了两种压电阀的六组试验数据。其中 四组是 电阀，试验号码以 T 打头；另两组以 V 开头的是 电阀的数据。在这一试验气量范围的六组数据，无论是电容规的最高响应值还是响应的时间过程，都有着极好的重复性。 表 4脉冲送气试验数据 试验号 驱动电压 冲宽度 响应电压 高气压 01821010182107018210100 01821010182106为电容规的时间常数为 30们没有具体的试验过其时间响应特性，所以无法具体评价电容规输出电压曲线的意义。但我们仍能得到两点结论：一是在我们的试验系统中，从 电阀打开到真空室内压力开始上升的时间不长第 4 章 送气系统 - 40 - 于电容规响应电压曲线中的 20压到最大值的时间不长于 100是与试验用的 电阀对比， 电阀在开启后较快达到正常气量送气，反映到曲线上，就是有更快的气压开始上升时间。 在 电阀脉冲试验中，有两组数据的最大气压响应值上有点差异。对应的示波图读数游标的最小移动尺度分别是 40 和 60应的气压值分别为 而曲线本身的线宽大于上述数值，所以这一差值包括了较大的读数误差。包括上面提到的因素，最大气压值的误差均在 4%之内。 测试结论 电阀的电压上升时间在 ，电压的响应时间常数小于 宽 电压脉冲驱动下， 电阀的送气量分为： m3/s（气源为大气）。以上参数虽会有明显的个体差异，但仍将优于对比用的 电阀，更能满足 置等离子体实验的送气要求。 两种压电阀均有十分优秀的脉冲响应重复性，没有可分辨的差别，均可满足要求。 经过长期的的使用， 送气率方面已不能和 尽管如此，该阀的脉冲送气量的重复性仍然很好；首次开阀有一定的困难，但尚未影响到密封性能，这 也是难能可贵的。我们试验用的 它的耐用性还需考察。 上述测试实验是在 2001 年进行的。在 2003 年的真空运行中发现 电阀出现了漏气现象，原因是压电陶瓷已老化，需要更换。相比而言， 的在使用寿命和稳定性方面有明显优势。 压电阀脉冲电源 上面试验所用到的压电阀脉冲电源是我们自行设计制作的，确定使用 压电阀之后，我们把压电阀电压变动范围确定在 30V100V 之间，并对电源作了调整。我们先制作了 30V100V 可调压电阀电源，然后用固体继电器 控制电源的第 4 章 送气系统 - 41 - 通断来形成脉冲式的供电。固体继电器导通时间长短是由 74片来控制的。两种电源做在同一个机箱里 ,共用一个面板。电源和面板图如下。 图 430调压电阀电源线路图 计算机触发手动触发负载R 2100 脉冲式压电阀电源线路图 第 4 章 送气系统 - 42 - 图 4压电阀电源机箱前面板第 5 章 真空烘烤 - 43 - 第 5 章 真空烘烤 在磁约束受控核聚变研究中，杂质对等离子体的品质和行为有着极其重要 的影响，为此要对装置真空室进行尽量完善的真空处理。烘烤是处理超高真空系统的一项最基本的措施，也是控制放电时等离子体中的轻杂质含量、减轻氢再循环的得力手段之一。 不锈钢材料在熔炼和铸造过程中，空气中的氢、氧、氮和碳的氧化物不同程度地溶于其中。真空室暴露大气存放时，表面还会吸附大量气体。另外，不锈钢材料本身还有一定量的渗透。这些因素构成了真空中的主要气源。用真空泵抽气时，首先抽走的是容积中的大气，这部分气体可以很快抽走。然后是材料表面解吸的气体、材料内部向表面扩散出来的气体以及大气通过真空室壁渗透到真空中的气体 。解吸及扩散到表面再解吸气体的衰减速率非常缓慢。一台金属密封的不烘烤的真空系统，要达到超高真空（低于 10平衡的放气水平，需要大约 108 小时 14。如果利用烘烤手段加速真空室壁中气体的扩散和壁上气体的解析，可以在短时间内使真空室壁的出气量衰减到平衡水平。 件烘烤方案 烘烤是一项需要经常进行、也经常与其它清洗手段同时使用而且进行时间很长的常用真空室处理手段，因此烘烤系统的设计一定要注意运行的可靠性和可运行性，这对于人员投入很少的小装置尤其重要。于是我们设计用正温度系数电阻（ 作为加热元件。 件电阻 为居里点（ 20。在温度达到居里点 后，其阻值急剧增加，电阻率温度系数可达 （ 1560） %/ 以上 17。利用 这一特性可以实现对真空室的恒温加热自动控制。 件贴片固定在真空室外壁上，它自回路中得到电功率（ 发热，并把热量传导给与它相接触的真空室（假设传热功率为 件在常温下电阻很小，刚开始通电时 件很快升温。温度达到居里点的温度 后，由于 件电阻值急剧增加 ， 急剧下降，使第 5 章 真空烘烤 - 44 - 持在 当温度为 件热源对真空室供热时，有 式中 件到真空室表面的热导系数，包括了 安装结构间的接触热导、安装结构的热导、安装结构与真空室间的接触热导； 真空室表面（与安装结构接触部分）的温度。 这样的烘烤系统的自然最终平衡烘烤温度（ 决于系统的漏热（ 当它与 当时的温度即为 统的漏热功率 它是通过漏热热导系数漏放到室温体系中去的热量。这是一个极复杂的综合量，包括了种种传到室温表面的过程（如经过保温层、法兰连接管道等等）及室温表面的散热过程（如对流、辐射）。 烘烤实验装置 出于对真空室热应力和相关材料的考虑， 烘烤温度要求不高于150 ，我们选择的 件的居里点也大约是 160 。 为了给 件提供选择合适的工作电压，我们测量了其电压 描点法表示如图 5电之后，当电压较低时，由功耗引起的温升很慢，工作在 ；调 高电压，增大功率，当温度达到居里点后，由于正温度系数的调节效应，进入等功率段（ 增加电压对功率的影响不大。我们使用 作点是在 ，可见 件功率大约在 1020W 之间。 第 5 章 真空烘烤 - 45 - 图 5电压 为了在真空室表面进行均匀的加热，我们用了 96 个 阻贴片，均匀地分布在真空室表面。由于真空室开有很多法兰窗口，表面空间有限，而且真空室是球形的，因此，贴片的面积不能太大。我们使用的贴片，直径约 2度约 4们原先构想用螺栓和压板来把 片固定在真空室上，如图 5 图 5片安装构想 但是当装置建立，外围的线圈都安装好之后发现剩余操作空间有限，要在真第 5 章 真空烘烤 - 46 - 空室壁上完成这种操作比较麻烦。于是把 片安装方法改为用导热导电胶粘贴法， 如图 5装： 片b 铜片电极 c 高温焊锡d 高温导线e 导热导电胶f 真空室壁图 5片实际安装方案 阻贴片的两个面就是电阻的两极，把其中一面贴在真空室壁上，以真空室为一个极，真空室导电的同时得到烘烤。为了保证加热贴片与真空室壁良好的导热和导电，贴片和真空室壁要 用导热导电胶来粘连。为确保供电导线与另一极的欧姆连接，我们把导电性能较好的 3的铜片剪成和 片一样大小的圆片状，用导热导电胶粘贴在 片的另一极上，然后配制高温焊锡把高温导线焊接在铜片上。 由于粘贴铜片和焊接高温导线操作起来比较麻烦，不能先把 片都粘连到真空室壁上之后才进行，因此，必须预先粘贴铜片和焊接高温导线。另外，由于要给真空室壁上的 96 个 片供电，而烘烤时真空室外面还要包上厚厚的保温层，因此电线的布置要格外整洁。所有 片都是并联供电的，为了避免冗余的走线和导线结头，我 们把 96 个 片平均分成了 16 组，每组 6个贴片如图 5接。 第 5 章 真空烘烤 - 47 - 图 5每组 6 个贴片的连接 这样连接避免了在保温层以内进行高温导线的结头，从保温层引出的导线也很少，所用高温导线长度也最节省。 导热导电胶价格较贵，而且每次配制必须尽快使用，否则很快就凝干了，造成浪费。我们事先要把同一组的 6 个 片按其要布置的位置的间距来用相应长度的高温导线焊接，准备好了要安装的各组贴片之后才配置导热导电胶，以最快的速度把各组贴片粘贴到位。 16 组 片都安装完之后，就要在真空室壁外面包上厚厚的保温层。在目前的市场条件下，保温部件的有关材料的选取有相当大余地。 150 以下的烘烤温度使它在使用温度方面几乎没有限制。我们希望在采用常用保温材料和结构条件下得到尽量好的保温性能，但不准备为了节约几百瓦的漏热就动用高新材料。原计划保温部件主要分为两层：靠近真空室的一面为高温绝热材料和涂铝防辐射复合膜，外面是普通保温隔热材料。但后来在实际安装的时候，由于购买材料的困难，省去了高温绝热材料和涂铝防辐射复合膜，只使用了普通保温隔热材料：内层用帆布，外层用保温棉被。 由于真空室上的法兰窗口很多，保温层需要量身定做，有法兰的地方要剪开一个十字型的口子好让法兰露出来。真空室外面纵横的磁场线圈已经把真空室包围起来，要想给真空室加上保温层，必须分块来进行，不能整体包裹。把真空室球面像剥桔子一样分成 12 瓣，为每一瓣定做一块帆布和一块保温棉被。我们测量好尺寸之后，请裁缝完成了这项工作。 烘烤电源 96 个 片都是并联，额定电压是 110V。我们用三相四线制交流电变压之后对其供电。三相交流电的线电压是 220V，把其中两路线电压用变压器变为第 5 章 真空烘烤 - 48 - 110 V 后各负载 8 组 片。 而第三路线电压则用来为总闸接触器的线包供电，并且为安装在真空室内的预电离灯丝供电。预电离灯丝是一根电阻为 8 的钨丝，它的两极通过密封法兰导出真空室外，在真空环境下通电可以照亮真空室内部，并对真空室内工作气体进行预电离。为了实验方便，把 预电离灯丝的电源和烘烤电源设计在一起了。预电离灯丝需要直流电，除了需要变压之外还要整流。整个电源线路如下图 5 西半球东半球预电离灯丝线包中性线三相交流电保