針對(duì)中性束注入等離子體加熱過(guò)程中的高真空條件要求，借助于國(guó)際合作方式，我們?yōu)镠L- 2A裝置中性束注入器設(shè)計(jì)了一種大吸附面積的高抽速鈦泵系統(tǒng)。鈦泵系統(tǒng)抽速設(shè)計(jì)值為30 萬(wàn)L/s，由兩臺(tái)大泵和一臺(tái)小泵組成，兩臺(tái)大鈦泵分別置于注入器主真空室左右兩側(cè)，小鈦泵置于注入器副真空室右側(cè)。運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鈦泵完全滿足HL- 2A 中性束注入實(shí)驗(yàn)的要求。本文主要介紹了鈦泵的工程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果，簡(jiǎn)要分析了HL- 2A 裝置中性束加熱系統(tǒng)高抽速鈦泵的運(yùn)行特點(diǎn)。

　　中性束注入是磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)中有效的輔助加熱方式，它具有加熱效率高，加熱機(jī)制明確等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也是電流驅(qū)動(dòng)、控制等離子體電流分布和改善約束的主要手段之一。在HL- 2A 裝置上成功研制了一條中性束注入功率為1.5 MW，束能量55 keV，脈寬1.0 s 的中性束注入加熱系統(tǒng)。為保證HL- 2A 裝置中性束注入加熱的正常運(yùn)行，系統(tǒng)需保持在較高的真空條件下，具有很高的真空抽速，使得在主真空室(方箱) 處?kù)o態(tài)真空度為10^-5 Pa 量級(jí)，NBI 注入脈沖期間真空氣壓值≤3×10^-3 Pa 量級(jí)，基于HL- 1M以及ASDEX 裝置的NBI 系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，我們選用具有高抽速的鈦升華泵作為主泵，分子泵為前級(jí)泵。金屬鈦在足夠高的溫度(1100℃)下會(huì)直接升華， 升華出來(lái)的鈦沉積在冷卻金屬表面上，形成鈦膜，鈦膜與活性氣體結(jié)合成穩(wěn)定的化合物，從而起到高速抽氣作用。鈦升華泵是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、使用方便、對(duì)活潑性氣體抽速大、工作范圍寬廣、從低真空直至超高真空可以連續(xù)工作的一種無(wú)油真空泵。大多數(shù)中型規(guī)模的磁約束聚變實(shí)驗(yàn)裝置的NBI 加熱系統(tǒng)采用高抽速鈦泵作為注入器與主機(jī)之間的差分真空抽氣系統(tǒng)。

　　為滿足HL- 2A 裝置中性束對(duì)真空條件的要求，我們?yōu)镠L- 2A 裝置的中性束加熱系統(tǒng)研制了一套由兩臺(tái)大吸附面積鈦泵和一臺(tái)小吸附面積的鈦泵組成的高抽速真空抽氣系統(tǒng)。本文主要介紹HL- 2A 裝置中性束加熱系統(tǒng)鈦泵的研制和運(yùn)行情況，通過(guò)NBI 系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中送氣流量和真空氣壓的瞬態(tài)變化特性測(cè)試了鈦泵的抽速，分析了鈦絲熔化、彎曲和起皮等幾種常見(jiàn)的故障現(xiàn)象。

　　1、中性束注入器鈦泵研制

　　鈦升華泵是利用加熱的方法將鈦升華并使其沉積在一個(gè)冷卻的表面上，形成新鮮的鈦膜，與活性氣體反應(yīng)形成穩(wěn)定的化合物，從而達(dá)到抽氣效果。鈦膜吸附被抽氣體分子的吸附機(jī)理是比較復(fù)雜的，通常認(rèn)為是物理吸附和化學(xué)吸附綜合作用的結(jié)果，以化學(xué)吸附為主。鈦升華泵的結(jié)構(gòu)大致可分為三部分：吸附器、升華器、電源及控制器。

　　1.1、吸附器設(shè)計(jì)

　　根據(jù)D.J.Harra 等人提出的鈦泵抽速計(jì)算公式，這里可以由以下公式估算HL- 2A 中性束鈦泵的抽速S = σAK (1)式中σ 為吸附面的粘著系數(shù)，鈦泵的吸附面采用水冷，所以溫度為室溫，這里我們?nèi)?sigma; 為0.02，K 為吸氣面的比通導(dǎo)(L/ (cm2·s))，可表示為K=3.64姨T/M ，T 為氣體絕對(duì)溫度(K)，M 為氣體的摩爾質(zhì)量(g/mol)，A 為吸附面積(cm2)。按照HL- 2A 裝置NBI 注入器真空室結(jié)構(gòu)尺寸，我們?cè)谧⑷肫髦髡婵帐野惭b兩臺(tái)大鈦泵，副真空室安裝一臺(tái)小鈦泵。大鈦泵由6 個(gè)吸附室組成，小鈦泵由4 個(gè)吸附室組成。每個(gè)吸附室安裝3 對(duì)鈦絲，大鈦泵每個(gè)吸附室的尺寸為高180 cm，寬15 cm，深22 cm，小鈦泵吸附室的尺寸為高140 cm，寬17 cm，深24 cm。吸附室間隔編號(hào)，按編號(hào)順序運(yùn)行，目是使吸附壁有更長(zhǎng)的時(shí)間冷卻。吸附面選用鋁作為基底材料，這是因?yàn)殁伳芎芎玫恼澈显阡X上；為提高鈦的附著效果，避免鈦膜起皮，沉積面要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的化學(xué)清洗和打毛噴砂處理，增加鋁面的粗糙度；吸附板厚度1.5 cm，內(nèi)通冷卻水管；為了增加吸附面積，吸附器表面要做成皺褶形。鈦泵吸附器結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1 所示。

圖1 鈦泵局部結(jié)構(gòu)示意圖

　　圖1 給出了皺褶面的坡度尺寸，按照30°的皺褶面夾角計(jì)算，皺褶面的吸附面積為原平面面積的3.86 倍， 因此大鈦泵的抽速為S=0.02×180×(22×2+15)×3.86×6×3.64× 姨293/4 ≈1.5×105 L/s，小鈦泵的抽速近似為4×10⁴ L/s，整個(gè)鈦泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)抽速為3.4×10⁵ L/s，設(shè)計(jì)抽速遠(yuǎn)高于常規(guī)的排除式抽氣機(jī)組的抽氣能力。

　　1.2、升華器設(shè)計(jì)

　　升華器是鈦泵的核心部件，大型鈦泵的鈦升華器一般均選用鈦絲通電加熱使鈦升華后沉積在吸附面上。鈦絲一般有兩種制作方式，一種是直接選用鈦鉬合金絲，一種是在鉭或鎢的芯絲上，相間地繞上鈦絲和鉬絲。前者制作簡(jiǎn)單，但鈦的利用率低，一般不超過(guò)30%；后者制作工藝較復(fù)雜，但鈦儲(chǔ)量比前者大，利用率也可高達(dá)70%，去氣較徹底，容易控制鈦蒸發(fā)率，缺點(diǎn)是繞制的鈦絲其緊密程度很難一致，因而各段的比電阻有差異，在長(zhǎng)期工作后，容易發(fā)生局部蒸發(fā)率過(guò)大，使鈦絲局部溫升過(guò)高以至燒斷，影響使用壽命。這里我們采用纏繞式鈦升華器，其結(jié)構(gòu)為在Ф2 mm 的鎢芯上，相間地密繞一層Ф0.8 mm 的鈦絲和Ф0.6 mm 的鉬絲，再在第一層的上面反繞一層Ф0.8 mm 的鈦絲，螺距約1 mm，相當(dāng)于每10 厘米長(zhǎng)度上繞制圈數(shù)在95 圈左右，繞制好的成品絲呈直線型，長(zhǎng)度分1.7 m 和0.68 m 兩種。繞制好的成品絲要求電阻均勻，用電橋測(cè)得安裝好的升華鈦絲電阻為0.043 Ω 左右。每?jī)筛�絲下端通過(guò)一個(gè)銅連接塊連在一起，絲的上端與供電電源相連，這樣每個(gè)吸附室內(nèi)有3 對(duì)鈦絲用作升華器。大鈦泵由6 個(gè)吸附室組成，小鈦泵由4 個(gè)吸附室組成，整個(gè)鈦泵升華器共需要72 根1.7 m 長(zhǎng)鈦絲，24 根0.68 m 長(zhǎng)鈦絲。

　　1.3、電源及控制系統(tǒng)

　　在高真空下鈦薄膜將在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)維持較高的抽速，因此，周期性進(jìn)行鈦升華，可最大限度地發(fā)揮鈦膜的抽氣能力，于是我們?cè)O(shè)計(jì)了可周期運(yùn)行的專用鈦泵電源。鈦泵電源主要用于加熱鈦絲，對(duì)電源紋波沒(méi)有要求，但是由于鈦絲在不同溫度下電阻不同，而且不同的鈦絲電阻有10%左右離散，因此鈦泵電源需要穩(wěn)流輸出。每臺(tái)鈦泵配備一臺(tái)電源，鈦泵電源是一套交流調(diào)壓可控直流電源：交流輸入為三相交流380 V；直流輸出電流170 A、電壓150 V；工作方式為連續(xù)；輸出為6 脈波。鈦泵電源主回路原理見(jiàn)圖2 所示，三相交流(380V 市電)輸入經(jīng)可控整流橋，輸出可調(diào)三相交流，進(jìn)入整流變壓器和全波整流后，向負(fù)載供電。

圖2 鈦泵電源主回路供電示意圖

　　電源內(nèi)部采用SZB6 控制板控制，該控制板是以工業(yè)級(jí)的單片機(jī)為核心組成的全數(shù)字控制、數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)，它由電源變壓器、電源穩(wěn)壓電路、三相同步電路及處理模塊、數(shù)字調(diào)節(jié)器、數(shù)字觸發(fā)器、六路相互隔離的脈沖輸出電路、開(kāi)關(guān)量輸入、故障及報(bào)警輸出電路、模擬量處理及A/D 轉(zhuǎn)換電路、參數(shù)設(shè)置及LED 指示電路、通訊接口電路等部分組成；小鈦泵配備170 A，80 V。運(yùn)行時(shí)依次給每對(duì)絲通電，脈寬為150 s~300 s 可調(diào)，一般采用脈寬150 s。整個(gè)電源的時(shí)序和電流值均由NBI 加熱PLC 控制系統(tǒng)來(lái)完成，采用如下三種方式：

　�、� 連續(xù)循環(huán)模式，即打開(kāi)電源后依次循環(huán)；

　　② 單循環(huán)模式，即電源打開(kāi)后運(yùn)行一輪后關(guān)斷；

　�、� 單觸發(fā)模式，即手動(dòng)觸發(fā)一對(duì)鈦絲蒸鈦。這種模式下還可以通過(guò)程序控制，利用tokamak放電間隙蒸鈦。

總結(jié)

　　鈦泵是HL- 2A 中性束加熱系統(tǒng)獲得高真空以及實(shí)現(xiàn)注入過(guò)程差分抽氣的有效設(shè)備，通過(guò)運(yùn)行，測(cè)得剛蒸完鈦后實(shí)際抽速達(dá)到1.1×10⁵ L/s，接近設(shè)計(jì)值，實(shí)際的鈦儲(chǔ)量接近理論值，通過(guò)一輪的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了鈦泵運(yùn)行滿足注入器的實(shí)驗(yàn)要求。通過(guò)觀察運(yùn)行時(shí)的采集波形，鈦絲一般在電流30 A 時(shí)開(kāi)始出氣，在電流40 A 就達(dá)到最大出氣量，鈦泵正常蒸鈦電流間于120 A 至150 A 之間。可以通過(guò)觀察真空氣壓變化來(lái)優(yōu)化設(shè)置電源輸出電流，從而提高鈦絲使用壽命。另外通過(guò)分析鈦絲非正常運(yùn)行的原因，避免鈦絲過(guò)早熔化、彎曲和粘連而影響鈦泵的壽命。HL- 2A 裝置鈦泵的成功研制和實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果將為研制更高抽速的HL- 2M 裝置NBI 注入器鈦泵提供技術(shù)儲(chǔ)備。