超導(dǎo)托卡馬克(EAST)彈丸注入系統(tǒng)能夠連續(xù)制備和發(fā)射多顆彈丸，其能夠在連續(xù)100s的彈丸發(fā)射過(guò)程中保證可靠性大于99.6%。彈丸形狀為直徑2mm，長(zhǎng)度2mm的圓柱體，注入頻率1~10Hz，注入速度150~300m/s可調(diào)。目前，彈丸注入系統(tǒng)已經(jīng)安裝在EAST裝置上，經(jīng)過(guò)臺(tái)面測(cè)試和聯(lián)機(jī)調(diào)試，證明系統(tǒng)性能可靠。本文主要介紹了彈丸注入系統(tǒng)的組成、原理、調(diào)試以及相關(guān)彈丸注入等離子體改變其行為的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　彈丸注入是等離子體加料的主要手段之一。與普通充氣加料方式相比，彈丸注入加料具有更高的加料效率和更深的燃料粒子沉積，可以獲得更加純凈的等離子體。同時(shí)，彈丸注入還可以改善等離子體的性能。如提高等離子體密度；降低粒子在器壁的滯留，改善邊界再循環(huán)，提高等離子體約束性能；改變高約束模(H模)等離子體放電的邊界局域模的行為，改善H模等離子體放電性能，降低第一壁熱負(fù)荷。EAST自2006年建成投入實(shí)驗(yàn)以來(lái)參數(shù)不斷提高，更于2010年分別實(shí)現(xiàn)了大于60多倍能量約束時(shí)間高約束模式(H模)等離子體放電，100s 1500萬(wàn)度偏濾器長(zhǎng)脈沖等離子體放電，最高等離子體平均電流達(dá)1MA。為滿足EAST高參數(shù)、長(zhǎng)脈沖等離子體運(yùn)行要求，中科院等離子體所與俄羅斯培林實(shí)驗(yàn)室(PELIN Laboratory Ltd.)合作研制了一套彈丸注入系統(tǒng)，工程調(diào)試獲得了良好結(jié)果，并已在本輪物理實(shí)驗(yàn)中投入使用。

1、彈丸注入系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理

　　EAST彈丸注入系統(tǒng)主要由以下子系統(tǒng)組成：擠壓制冰器系統(tǒng)，丸料氣體和推進(jìn)氣體的供氣系統(tǒng)，真空擴(kuò)散系統(tǒng)，液氦冷卻系統(tǒng)，診斷系統(tǒng)(彈丸速度測(cè)量等)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。彈丸注入系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)概貌如圖1所示。

圖1　EAST彈丸注入系統(tǒng)示意圖

　　擠壓制冰器系統(tǒng)是由俄羅斯培林實(shí)驗(yàn)室研制的。其主要由真空室、擠壓桿、擠壓驅(qū)動(dòng)器、彈丸切割器、快速電磁閥、液氦蒸汽調(diào)節(jié)閥和壓力和溫度傳感器等構(gòu)成。其優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，實(shí)現(xiàn)單發(fā)彈丸注入和連續(xù)多發(fā)彈丸注入的快速切換，成冰質(zhì)量高，切割成型時(shí)彈丸完整性好。圖2給出了擠壓制冰器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2　擠壓制冰器結(jié)構(gòu)示意圖

　　真空擴(kuò)散系統(tǒng)的主要目的是抽出彈丸推進(jìn)氣體氦氣，防止其進(jìn)入裝置，引入雜質(zhì)和影響裝置真空度。采用二級(jí)擴(kuò)散，第一、二級(jí)擴(kuò)散室體積為15.7L，緩沖室體積為355L，一級(jí)擴(kuò)散和二級(jí)擴(kuò)散的主泵為抽速為1200L/s的FF-200分子泵；彈丸制備器本身的真空熱絕緣維持采用抽速為100L/s的抽氣機(jī)組；同時(shí)為了有效抽除連續(xù)制冰和發(fā)射彈丸過(guò)程中產(chǎn)生的大量廢冰和廢氣，與擠壓切割器連接一個(gè)100L的緩沖罐并配備一干泵機(jī)組抽氣。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下二級(jí)擴(kuò)散室真空不高于1.67×10^-4 Pa的壓強(qiáng)，這樣的氣壓再經(jīng)過(guò)管道與裝置相連，基本可以忽略對(duì)裝置真空的影響。

　　EAST彈丸注入器制冰過(guò)程中需要提供一定流量(15L/s)及溫度的液氦蒸汽用于冷卻加料氣體，且蒸汽絕對(duì)壓力不可高于0.13MPa。為實(shí)驗(yàn)期間系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，采用從低溫系統(tǒng)引入液氦在注入器入口出將其加熱氣化到指定溫度及壓力以便制冰使用。液氦供給系統(tǒng)的示意圖如圖3所示。液氦管道從內(nèi)置低溫泵分配閥箱引致EAST裝置水平A窗口下方。在注入器入口處布置一段加熱絲(最大加熱功率45W)、熱電偶和壓力傳感器，并通過(guò)PID儀表反饋調(diào)節(jié)，保證進(jìn)入注入器的液氦蒸汽溫度大于5K，壓力不高于0.15MPa。實(shí)驗(yàn)中，降溫過(guò)程中液氦消耗量約為0.7g/s，降溫到位時(shí)間約為2.5h。

圖3　彈丸注入器液氦供給示意圖

　　擠壓制冰器的工作原理：首先將制冰器系統(tǒng)抽真空，然后啟動(dòng)液氦冷卻系統(tǒng)對(duì)制冰器進(jìn)行降溫，至成冰溫度后，從供氣系統(tǒng)將燃料氣體引入冷凝池并被液氦冷卻成霜，擠壓桿在步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)下將燃料氣體擠壓成冰從底部直徑2mm的管道推出，與冰柱垂直的切割器包含一個(gè)直徑2mm的薄壁圓管，在電磁力的作用下水平運(yùn)動(dòng)并切割冰柱形成直徑長(zhǎng)度均為2mm的彈丸。成冰之后切割器尾部的快閥快速打開(kāi)高壓氣涌入管道中加速?gòu)椡鑿某隹陲w出進(jìn)入真空擴(kuò)散室和診斷室。

2、系統(tǒng)調(diào)試

2.1、臺(tái)面測(cè)試

　　彈丸注入系統(tǒng)臺(tái)面測(cè)試的主要目的是系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)的檢驗(yàn)，以及不同速度與頻率下彈丸注入器穩(wěn)定性的測(cè)試。聯(lián)機(jī)調(diào)試的主要目的是測(cè)試彈丸在高場(chǎng)和低場(chǎng)注入時(shí)的可靠性。臺(tái)面測(cè)試和聯(lián)機(jī)調(diào)試的燃料氣體為氘氣，壓力0.4~0.5MPa，推進(jìn)氣體為純度為99.99%的氦氣，壓力0.2~0.3MPa。測(cè)試中，使用液氦杜瓦供給液氦并采用加熱絲加熱液氦獲得液氦蒸汽，冷卻燃料氣體。

　　測(cè)試之前，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)檢查，如切割機(jī)能否正常工作。然后按照操作規(guī)范啟動(dòng)泵組，擠壓制冰器真空室的真空度應(yīng)小于1Pa，擴(kuò)散室真空度應(yīng)低于5×10^-3 Pa。之后，打開(kāi)制冰器的所有電子單元和PLC邏輯控制器，打開(kāi)工業(yè)計(jì)算機(jī)，啟動(dòng)控制程序。打開(kāi)燃料氣體和推進(jìn)氣體氣源，將供氣系統(tǒng)管路抽空，分別用燃料氣體和推進(jìn)氣體置換相應(yīng)的送氣管路，保持管路的純凈。連接液氦杜瓦，

　　并用加熱絲對(duì)其進(jìn)行加熱，開(kāi)始加熱參數(shù)設(shè)置為I=1.60A，V=20V，液氦蒸汽進(jìn)入制冰器開(kāi)始冷卻燃料氣體，在此過(guò)程中每15min記錄溫度和真空度等參數(shù)。觀察控制界面溫度參數(shù)的變化，當(dāng)液化器溫度Tl小于20K和擠壓機(jī)溫度TE小于12K，即可開(kāi)始制丸，在控制界面上設(shè)置推進(jìn)氣體壓力、注入頻率、擠壓機(jī)的轉(zhuǎn)速等參數(shù)，按下stand by empty，開(kāi)始填料，大概15min后，進(jìn)氣閥門(mén)關(guān)閉，進(jìn)入stand by full狀態(tài)，擠壓器開(kāi)始工作，1~2min后，可在觀察窗看到/冰柱0的出現(xiàn)，如圖4所示。擠壓過(guò)程結(jié)束之后，通過(guò)控制界面的continuous or single按鈕可以開(kāi)始發(fā)射彈丸。圖5給出的是在設(shè)定參數(shù)為注入頻率10Hz，注入速度300m/s的情況下連續(xù)100s發(fā)射彈丸的情況下拍攝到的一組彈丸照片，其可靠性為100%。

圖4　CCD相機(jī)觀察到的冰柱

圖5　連續(xù)100s發(fā)射彈丸

2.2、聯(lián)機(jī)調(diào)試

　　聯(lián)機(jī)調(diào)試的主要目的是測(cè)試彈丸發(fā)射以后，通過(guò)傳輸管道進(jìn)入EAST裝置的穩(wěn)定性和可靠性。其中，低場(chǎng)側(cè)注入管道長(zhǎng)約4.5m，高場(chǎng)側(cè)注入管道長(zhǎng)約9.5m。前期準(zhǔn)備工作與成冰過(guò)程與臺(tái)面測(cè)試大致相同。為了監(jiān)測(cè)彈丸能否通過(guò)傳輸管道進(jìn)入裝置，在高場(chǎng)和低場(chǎng)注入的管道處連接了鋁箔，通過(guò)觀察彈丸發(fā)射后鋁箔的變形情況進(jìn)行判斷。圖6給出了聯(lián)機(jī)調(diào)試的測(cè)試結(jié)果。

圖6(a)裝置內(nèi)高場(chǎng)注入管道末端與鋁箔連接；(b)彈丸注入后，低場(chǎng)側(cè)鋁箔被彈丸擊穿；(c)彈丸注入后，高場(chǎng)側(cè)鋁箔被彈丸擊穿

3、彈丸注入對(duì)等離子行為影響實(shí)驗(yàn)

　　2012年EAST春季實(shí)驗(yàn)，分別進(jìn)行了低場(chǎng)和高場(chǎng)的彈丸單發(fā)和多發(fā)注入實(shí)驗(yàn)。彈丸注入后，引起了等離子體參數(shù)一系列變化。最明顯的變化是等離子體密度上升，Ha線輻射增強(qiáng)，CIII和OII等雜質(zhì)輻射也增強(qiáng)，電子溫度降低以及軟X射線輻射強(qiáng)度降低等。圖7(高場(chǎng)注入單發(fā)彈丸)和圖8(低場(chǎng)連續(xù)注入9發(fā)彈丸)分別給出了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖738098炮，3s注入彈丸后的放電曲線

圖841878炮，315s開(kāi)始連續(xù)注入9發(fā)彈丸Ha變化剖面圖

4、總結(jié)

　　EAST彈丸注入系統(tǒng)經(jīng)過(guò)臺(tái)面實(shí)驗(yàn)和工程調(diào)試，成功制出高質(zhì)量的氘冰柱并切割、發(fā)射了氘彈丸，最高發(fā)射頻率達(dá)10Hz。在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的情況下仍能保證很高的穩(wěn)定性。EAST彈丸注入系統(tǒng)分別首次實(shí)現(xiàn)了從低場(chǎng)和高場(chǎng)的彈丸注入等離子體，并取得了一些初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這些都表明了EAST彈丸注入系統(tǒng)很好地完成了設(shè)計(jì)目標(biāo)。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，如連續(xù)100s注入彈丸時(shí)將產(chǎn)生過(guò)多的廢冰和廢氣；以及速度較快的彈丸經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的傳輸管道破損和消融問(wèn)題。下一步計(jì)劃是針對(duì)這些不足之處進(jìn)行改進(jìn)和完善，為彈丸注入系統(tǒng)進(jìn)一步參與物理實(shí)驗(yàn)提供更好的平臺(tái)。