EAST装置PKR251型真空规管的修复及标定技术研究

黄 明，王厚银，余耀伟，左桂忠，孙 震，孟献才，3，徐 伟，胡建生，2*

（1.中国科学院等离子体物理研究所，合肥 230031；2.中国科学院光伏与节能材料重点实验室，合肥 230031；3.湖南大学物理与微电子科学学院应用物理系，长沙 410082）

0 引言

核聚变能具有原料丰富、能量巨大和清洁安全等优点，是潜在的人类未来能源之一。“磁约束”是实现受控核聚变的一种途径，带电粒子受到磁场的作用，只有沿着磁力线的方向可以自由运动，让磁力线螺旋缠绕在轮胎形的环面上，可避免高温等离子体沿着磁力线的方向直接损失以及漂移损失，基于这一基本思想的磁约束装置就是“托卡马克[1]”。EAST[2]是我国自主设计建造的国际上首个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置，主要由内真空室、纵场线圈系统、极向场线圈系统、内外冷屏、外真空杜瓦及支撑系统等部件组成，装置主机部分高达11 m，直径达8 m，质量约400 T。

EAST装置真空系统[3]是其重要组成部分，主要由内真空室和外真空室构成。内真空室为高温的等离子体聚变提供清洁环境，包括主机部分和各类诊断系统真空室，主机部分是由16个D型截面的扇形全硬段焊接而成[4]，最大能够承受13个大气压差，因而能够与其他真空室分开独立运行，体积约40 m3（含窗口管道）。外真空室为低温超导提供绝缘绝热环境，由主真空室、低温阀箱和电流引线罐组成，体积分别为 160 m3、20 m3和 22 m3。EAST 装置庞大的真空系统需要大量的宽量程（10-6～105Pa）真空规管进行实时监测，德国PFEIFFER公司研发生产的PKR251型真空规管，具有操作简单、寿命长、宽量程（air，N2）2×10-7～1×105Pa、灵敏度高等优点在EAST装置上被广泛使用。

在研究磁约束核聚变装置中，良好的真空室器壁状况已成为获得高性能等离子体的关键性因素。而通过蒸发或等离子体镀膜的方法将金属锂材料涂覆在第一壁上的锂化镀膜实验[5]，可以使等离子体约束得到改善，C、O杂质得到抑制，粒子再循环降低。鉴于锂化镀膜的良好壁处理效果，现已发展为EAST装置的一种常规壁处理方式，并呈现出两个特点：频次高，日均1次；量大，单次涂覆15 g，偶尔用量达45 g。而大量高频次的锂化壁处理实验会使PKR251型规管内部部件（电极、极板和真空腔体等）表面污染或磨损，电极放电属性产生变化，真空腔体内气压与离子流关系发生改变，冷阴极电离规难以启动等问题，最终导致EAST装置上PKR251型真空规管测量不准或错误。

目前，对于PKR251型真空规管测量不准或错误的现象，国内外同行通行做法是更换备品（备件），造成了很大的浪费。考虑响应国家政策，积极履行节能环保的责任，通过长期的积累，发展了一套针对PKR251型规管的修复和标定技术规范。

1 EAST装置真空测量系统

1.1 EAST真空测量系统

EAST真空测量系统[6]包括用于测量绝对负压的真空规管、测量绝对正压的规管以及测量分压的质谱计组成。通常采用单规管模式和测量站模式两种方法，前者即为单个规管测量真空度；后者为多个规管协同测量真空度，可以是同型号的规管替换测量或者是不同量程的规管测量相应真空度，此外还有质谱计辅助测量真空室内气体成份的分压变化。目前，真空测量站主要分布在装置外真空室抽气管道远端和内真空室抽气管道近端、远端等位置，并在内真空室抽气管道引出差分测量站，可以在高气压下进行分压测量；除此之外对需要维持真空运行的辅助加热系统和外围诊断系统均采用单规管模式。EAST真空测量控制系统，如图1所示，现已发展比较完善，真空数据可以通过控制界面远程实时读取。

图1 EAST真空测量系统控制界面Fig.1 The control interface of vacuum measurement system on EAST

1.2 PKR251型真空规管

德国PFEIFFER公司研发生产的PKR251型真空规管具有宽量程（air，N2）2×10-7～1×105Pa，紧凑设计而实现的节省空间安装，统一的标准电缆实现所有发射机的轻松布线，适应强磁场环境等特点，在EAST装置上被广泛使用，总数超过60支。PKR251型真空规管是复合型真空规管，包含1个皮拉尼规和1个冷阴极电离规，如图2所示。

冷阴极电离规[7]是利用低压下气体分子的电离、电流与压力有关的特性制成，用放电电流做为真空度的测量。工作原理是：当工作电压加到电极上后，由于受到宇宙射线或其他荷能粒子的随机触发，在气体中产生电离而形成了初始电子，这个初始电子在交叉电磁场的联合作用下，沿着一个或多个摆线型路径运动，在向阳极运动的过程中，获得足够高能量的电子与气体分子碰撞再引起电离产生次级电子，最后电流受空间电荷限制达到与压力相对应的稳定值，如图3所示。

图2 PKR251型真空规管及其内部分解图Fig.2 Vacuum gauge and its internal decomposition diagram

图3 冷阴极电离规原理图Fig.3 Principle of the cold cathode ionization gauge

2 规管修复与标定工艺

2.1 规管标定平台的设计与构建

图4为规管标定平台示意图，主要包括：真空室、1套抽气机组、3台TPG256A真空计、2根加热带、1套充气系统（微调阀、减压阀、高纯氮气）、1支标准规管、1台工控机和支撑结构。真空室体积约50 L，采用扁球形设计，环向对称分布21个标准CF35法兰接口，在真空稳定的条件下，每个CF35法兰接口处的实际压力是相等的，可以同时标定19支PKR251型真空规管。抽气机组由1台机械泵和1台分子泵组成，其抽速为700 L/s。两根硅橡胶电加热带的总功率为2 kW，能够快速将真空室烘烤至120℃。该平台在抽气检漏后，经过烘烤处理，最佳本底真空可达9.0×10-6Pa，而EAST装置上PKR251型真空规管的测量范围通常在1.0×10-5～1.0×105Pa，能够满足标定要求的真空条件。标准规管采用兰州空间技术物理研究所校准标定的PKR251型真空规管[8]。

图4 真空规管标定平台示意图Fig.4 The schematic diagram of the vacuum gauge calibration platform

2.2 规管修复标定工艺

EAST装置物理实验结束后，选取离子回旋系统（ICRF）8支PKR251型真空规管，利用真空规管标定平台对其进行测试。将全部规管安装在标定平台上，抽气检漏，并对真空腔体进行24 h的100℃烘烤，在室温条件下，向真空室充入高纯氮气（99.999%）调节不同气压（10-6～105Pa），与标准规管比对，发现PKR251型真空规管的线性度均出现不同程度偏离，全部超出允许误差±30%，部分规管的误差甚至超过±1 000%，测试结果如图5所示。因此，需要对全部PKR251型真空规管进行修复和标定，才可以在EAST装置上再次使用。

图5 修复前测试结果曲线Fig.5 Measurement results of vacuum gauge before the repair

2.2.1 规管修复

PKR251型真空规管的修复过程为：（1）标记，保持PKR251型真空规管修复前后零部件的一致性；（2）拆卸，参照图2将规管拆卸分解；（3）去污，清除电极、极板和密封O圈等规管内部件的表面污染，污染物多为金属锂的化合物，可以用水（或5%醋酸溶液）浸泡溶化，污染难以清除的部件可以更换；（4）清洗，在酒精中浸泡半小时，并辅以超声波清洗，除去表面油脂类污染；（5）烘烤，极板和卡簧等金属部件放入烘箱中烘烤半小时，电极和密封O圈等非金属部件用电吹风热风烘干；（6）组装，在干燥环境下，佩戴无粉乳胶手套按照标记组装全部规管；（7）检漏，对组装后的规管进行真空检漏，漏率低于1×10-9Pa·m3/s，完成规管修复。

2.2.2 规管标定

将修复后的8支规管和1支PKR251型标准规管安装到标定平台，多余法兰安装CF35盲盖。然后对该平台真空系统抽气，并通过喷氦气整体检漏，结果显示漏率小于最小可检漏率（5×10-9Pa·m3/s），再对标定平台的真空腔体进行24 h、100℃烘烤，停止烘烤待真空腔体壁温降至室温后，标准规管的读数为9.6×10-6Pa。室温条件下，通过控制向充入真空室高纯氮气（99.999%）的充气速率，调节不同气压（10-6～105Pa），在气压稳定后并维持5 min，利用标准规每个量程标定4～5个采集点，最后分析比对标定结果（真空计型号为TPG256A）。

2.3 标定结果

8支PKR251型真空规管修复后，标定发现线性度较好，如图6所示。其中#2、#3、#5、#7和#8真空规管在整个比对范围内误差均小于30%（标称误差范围内），能够满足EAST装置真空测量要求；而#1、#4和#6真空规管在0.005～1 Pa范围内误差较大（约50%），需要再次修复，并根据标定结果确定是否继续使用，如图7所示。

图6 修复后标定结果曲线Fig.6 Calibration result after repair

图7 各规管与标准规的读数误差曲线Fig.7 The reading error of every gauge and the standard

3 结论

通过对规管内部电极、极板和密封O圈等关键部件的去污（更换）、清洗和烘烤处理，修复计量不准确或错误的PKR251型真空规管。搭建规管标定平台模拟EAST装置物理实验时的真空环境，通过控制充入真空室内高纯氮的充气速率，改变真空室内的气体压力，比较单个规管与标准规的读数，判定规管测量准确度，实现PKR251型真空规管的标定。结果发现修复后的大部分真空规管在不同压力下线性度较好，能够满足EAST装置真空测量要求；小部分真空规管需要再次修复，并根据标定结果确定是否继续使用。

这种规管修复和标定技术为EAST实验提供了准确可靠的测量工具，能够有效延长PKR251型规管使用寿命，避免资源浪费，为核聚变实验节能环保提供技术支持。同时，建立了针对PKR251型规管的修复、标定程序，为今后的规管修复和标定技术提供了重要参考。

参考文献：

[1]Gao X，Hu J S，Zhang T.Extension of operational limits on EAST[J].NuclFusion，2007，47：1353.

[2]万宝年，徐国盛.EAST超导托卡马克[J].科学通报，2015，60（23）：2157-2168.

[3]李加宏，胡建生，王小明，等.EAST超导托卡马克装置真空抽气系统[J].真空，2010，47（1）：11-14.

[4]姚达毛.HT-7U超导托卡马克真空室[J].真空科学与技术，1999，19（5）：342-346.

[5]孙震，胡建生，左桂忠，等.EAST托卡马克锂化技术研制[J].真空，2012，49（5）：28-31.

[6]Wang H Y，Hu J S，Wang X M，et al.Vacuum measuring system on the EAST[J].Physics Procedia，2012，32：235-238.

[7]刘珈彤，冯焱，赵澜，等.冷阴极电离真空计校准方法研究[J].计测技术，2013，33（3）：51-53.

[8]孙雯君.高低温真空校准技术研究[C]//中国计量测试学会真空计量专委会第十三届年会，2013.