EAST 高頻彈丸注入裝置主要用于完成EAST 托卡馬克裝置的加料和邊界局域模(ELM) 實驗研究。注入器主體部分已經完成構建，為了使系統安全連接到EAST 裝置，需要設計一套對應的真空系統。高頻彈丸注入裝置真空系統采用了全新的設計，在注入器主體上連接三個緩沖室，將推進氣體及時抽走，降低成冰室壓強以此提高成冰質量。注入器與EAST 裝置通過兩級差分系統連接，進一步降低裝置壓強至5×10^-4 Pa量級，完成與EAST 的安全連接不影響正常放電。

　　EAST 是世界上第一個全超導非圓截面托卡馬克裝置。自2006 年首次成功放電以來，實驗參數得到不斷提高。在等離子體高約束運行模式(H-mode)下爆發的邊界局域模(ELM)會對裝置第一壁造成極大的熱沖擊，降低第一壁材料使用壽命。如何應對這種現象已經成為聚變界一個棘手的問題。最新的研究表明，高頻彈丸注入技術是一種行之有效的控制ELM 的手段。參考低頻彈丸注入裝置的設計，構建了一套全新的高頻彈丸注入裝置。新系統的氫/氘彈丸最高注入頻率可達50 Hz，為了滿足新系統對真空度的要求，需要設計一套真空系統。

1、概述

　　低頻彈丸注入裝置于2012 年首次投入EAST實驗，能以最高10 Hz 的工作頻率發射氫/氘彈丸為EAST 裝置加料。為了保證在運行過程中，推進氣體(氦氣)不會大量進入EAST 主真空室中，低頻彈丸注入裝置采用了兩級差分的真空系統設計，其結構如圖1 所示。第一級差分室體積17 L連接一體積355 L 膨脹室，用抽速470 L/s 的羅茲泵機組抽氣；第二級差分室體積17 L 直接連接FF-200 復合分子泵機組抽氣。在運行過程中，能保證第二級差分真空度維持在10^-4 Pa 左右，在這樣的真空環境下，推進氣體對EAST 主真空的影響可忽略。但是低頻彈丸系統在長時間連續工作的情況下，第二級差分室真空度會慢慢變差，需要暫停運行一段時間，等真空度恢復到正常水平，才能繼續工作。因為大量推進氣體會在第一級差分處積累，不能被及時抽走。

圖1 低頻彈丸注入裝置三維示意圖

　　高頻彈丸注入裝置與低頻系統基本原理相似，也是利用液氦降溫冷凝氫/ 氘氣體，通過機械擠壓、切割的方式制成彈丸，最終用高壓氦氣加速彈丸通過細長管道打入到EAST 主真空室內。高頻彈丸為一直徑1.5 mm，長度1.2 至1.8 mm 可調的圓柱體，其發射速度根據設定的推進氣體壓強不同，在150 至250 m/s 之間變化。除此之外，高頻系統的最大工作頻率高達50 Hz，發射每發彈丸大概需要消耗20-30 mbar·L 的氦氣，這樣大量的氦氣不及時抽走，會影響到EAST 裝置的正常放電。為了消除氦氣的影響，并克服低頻系統存在的問題，借鑒低頻彈丸系統的兩級差分結構，并在此基礎上做了一些改進，設計了這套高頻彈丸注入裝置真空系統。

　　高頻彈丸注入裝置真空系統主要由緩沖室，兩級差分室，真空泵組，以及真空測量部件和連接管道等組成。為了確保推進氣體不會進入EAST 主真空室，需要限定了兩級差分室的真空度，即連接EAST 主真空室的條件，詳見表1。采用兩級差分室的結構設計，能夠最大限度的減少進入EAST 主真空室的氣量。真空各部件安裝在支架上，中心與注入器注入管路保持同一水平高度，其結構示意如圖2 所示。新的真空系統將緩沖室移至注入器主體下部，在彈丸成型加速階段起到擴散和抽走多余氦氣的作用。新的緩沖室設計不但減小了后部兩級差分室的工作負載，還大大提高了彈丸成冰的質量和可靠性。

表1 兩級差分室的工作真空度要求

圖2 高頻彈丸注入裝置三維示意圖

2、真空差分系統設計

　　2.1、緩沖室設計

　　全新的彈丸注入器包括兩套獨立的注入系統，每套系統能夠以25 Hz 的頻率獨立工作發射彈丸。高頻的特性對系統的可靠性提出了要求，為了提高彈丸的成型質量和可靠性，在彈丸成型和加速系統上連接一個緩沖室。緩沖室與彈丸成型和加速系統的連接簡圖，如圖3 所示。圖2 中的真空室1、真空室2 和真空室3 首尾相連，共同組成了緩沖室，見圖4，而真空室4 則代表了真空系統后部的診斷室、和兩級差分室。彈丸加速期間，推進氣體擴散到緩沖室的三個真空室內，被真空泵組抽走，減少擠壓成冰室內的推進氣體量，從而提高成冰質量。

圖3 彈丸成型和加速系統簡圖

　　一套彈丸加速和成型系統已經制造完成，并做了一些基本的臺面測試，得到了一些初步的測試數據，其中每發彈丸造成的氣體載荷分布見表2。由于彈丸注入器正常工作時氣載很大，尤其是緩沖室中的真空室2，因此選用大抽速470 L/s的羅茲泵機組(WAU2001/SV630B)來作為真空室2 的泵組， 選用抽速203 L/s 的羅茲泵機組(WAU1001/SV300B)作為真空室1 的泵組。真空室3 連接擠壓成冰室，主要用于抽除廢冰和廢氣，選用的是抽速16.6 L/s 的無油渦旋真空泵(GWSP10000)。

圖4 緩沖室結構簡圖

　　由于初步測試時只采用了一套彈丸加速和成型系統，并且初期測試所用的泵組與后續兩套一并安裝時所用泵組并不一致，需要對緩沖室的體積結構等重新進行設計，充分考慮兩套系統同時以最大載荷工作的情況。為了能夠最大限度的發揮真空泵機組的性能，保證將推進氣體盡量地排出，設計初均假設羅茲泵機組工作在最大抽速，也就是假定工作壓強為百帕量級，初步假設為500 Pa。考慮了氣載、壓強、連接管道等因素后，選定三個真空室體積均為21.43 L。真空室1用內徑100 mm，長度3.3 m 的管道連接羅茲泵機組；真空室2 用內徑150 mm，長度3.3 m 的管道連接羅茲泵機組；真空室3 用普通KF40 接頭(內徑約為35 mm)，長1 m 波紋管連接。

表2 單發彈丸推進氣體載荷分布

　　根據前面的假設，管道中的平均壓強，三個真空室的P D 值均大于0.67 Pa·m，管道中的流態為粘滯流。根據氣流狀態，選擇流導公式(1)進行計算：

　　代入數據，真空室1 管道流導為20303 L/s，真空室2 管道流導為102784 L/s， 真空室3 管道流導為1005 L/s。再根據有效抽速公式(2)，計算各真空泵的有效抽速：

　　代入得，真空室1 羅茲泵機組有效抽速201 L/s，真空室2 羅茲泵機組有效抽速467 L/s，真空室3無油渦旋真空泵有效抽速為11.5 L/s。由上面計算得到的有效抽速，并根據公式(3)計算抽氣平衡時，真空室內的壓強：

　　而氣體載荷又根據單發彈丸的氣載(取最大值)乘上頻率，也就是最大頻率50 Hz，可得真空室1 的氣載為3×10⁴ Pa·L/s，真空室2 的氣載為7.5×10⁴ Pa·L/s，真空室3 的氣載為1×10⁴ Pa·L/s。將各數據代入，得真空室1 的實際穩態工作壓強為150 Pa，真空室2 的實際穩態工作壓強為161 Pa，真空室3 的實際穩態工作壓強是869 Pa。查看個泵組的工作壓強- 抽速曲線，均能達到最大抽速，而因為管道連接部件的流導非常大，所以實際的工作壓強對上述的計算過程影響非常小，可以直接認為計算結果與初期的假設是吻合的。所以說緩沖室的設計在理論上是可行的，可以滿足設計要求，降低了推進氣體進入擠壓成冰室的可能，提高了成冰質量。

　　2.2、兩級差分室設計

　　為了進一步的降低系統的壓強， 達到與EAST 主真空連接的條件，需要采用兩級差分真空室的結構。兩級差分室的主要作用是進一步的抽除多余的推進氣體氦氣，使第二級差分室的壓強穩定在10-4 量級或以下，保證高頻彈丸注入系統在正常運行過程中能夠正常與EAST 主真空連接，而不影響EAST 裝置的正常放電。

　　兩級差分室在結構上相似，兩個真空室的體積都是約17 L，均采用機械泵前級搭配Turbo-V1001 分子泵抽氣，對氦氣的抽速在870 L/s 左右。第一級差分室：

　　前面表二中氣體載荷分布數據，是在緩沖室均連接機械泵的情況下得到的，而我們重新搭建的系統采用的是大抽速的羅茲泵機組，除此之外，我們還會將診斷室的一個法蘭連接到緩沖室二號羅茲泵機組上。在這樣的情況下，前面提到的單發彈丸進入到圖3 中真空室4 的氣體載荷應該會大大減小。單發彈丸引入的推進氣體按照30 mbar·L 來記，經過模擬計算，其中29 mbar·L的氣體都會被前端的兩套羅茲泵機組和干泵抽走，進入到第一級差分室的氣量大約為1 mbar·L。分子泵直接連接在差分室下部，流導很大，

　　對泵的抽速影響很小。我們可以認為泵的額定抽速即為有效抽速870 L/s，按照50 Hz 最大頻率計算，氣體載荷為5×10³ Pa·L/s，再代入式(3)，計算可得此時的壓強大概為5.74 Pa。分子泵在Pa量級抽速有所下降，我們重新計算，取抽速為600 L/s，再次代入式(3)，得到壓強為8.33 Pa。第二級差分室：

　　推進氣體在進入第二級差分室之前，需要經過一段內徑6 mm，長度2 m 的細長管道。根據平均壓強公式，細管內的平均壓強約為4 Pa，PD≈0.24 Pa·m，介于6.65×10^-3 Pa·m 和0.67 Pa·m之間，處于粘滯- 分子流。根據粘滯- 分子流流導公式(4)：

　　查相關表格知J 約為3.08，代入式(4)得管道流導為4.02×10^-2 L/s，最大氣體流量為Q=U×8=3.21×10^-1 Pa.L/s。在根據公式(3)，得第二級差分室的壓強不會大于3.69×10^-4 Pa，小于表2中對第二級差分真空的工作狀態要求。基本可以忽略高頻彈丸系統推進氣體對EAST 裝置的影響。

　　2.3、真空測量系統

　　為了能實時地監測各部分真空狀況，保證系統的各部件能夠正常運作，在緩沖室以及兩級差分室上都安裝有測量用規管。緩沖室正常工作時的壓強較高，大致在百帕量級；而兩級差分室的工作壓強較低，主要是第二級差分室正常運行時的壓強要求保持在10^-4 Pa 以下。

　　除了彈丸注入本身的真空測量點外，真空系統上一共有5 個測量點。在緩沖室的三個真空室上分別安裝三個TRP 280 規管，在兩級差分室上安裝兩個PKR 251 規管。系統運行期間，通過讀取規管示數來確保各系統都處于正常工作范圍，出現異常時及時采取措施，避免系統損壞。

　　真空度的讀取和記錄是通過規管連接到真空計和PLC 實現的。真空計主要是在現場測試時起實時監控讀數的作用；而PLC 則是遠程控制和記錄真空數據變化，方便后期查看真空度的歷史曲線，查看系統運行的可靠性。系統上各插板閥和真空泵組均能通過PLC 的方式遠程控制，進行開關操作，在遇到故障時能及時進行遠程處理。

3、總結

　　上述計算結果表明，前端緩沖室確實能及時地抽走氦氣，并使各泵組工作在最佳狀態下，降低了氦氣進入擠壓成冰室的可能性，提高了成冰質量；且兩級差分真空也進一步地降低系統真空度，起到安全連接EAST 主真空的作用。高頻彈丸注入裝置真空系統的理論設計已經滿足了最初的設計要求，現已進入生產制造階段，系統最快將于2015 年10 月左右投入使用。未來高頻彈丸注入裝置搭建完成之后，首先會進行系統檢漏和性能測試，在各個頻率下測試發射彈丸可靠性，測試真空系統是否能按照設計的要求正常工作，并給出一些初步的實驗結果。