（流体机械及工程专业论文）四极质谱仪的功能开发及其在托卡马克装置上的应用.pdf

四极质谱仪的功能开发及其在托卡马克装置上的应用 摘要 四极质谱仪被广泛地用于托卡马克装置上，用来判断装置真空品质，测量 放电清洗、硼化等等离子体壁处理过程中以及放电过程中的气体分压，分析器 壁处理效果和放电过程中气体成分释放等，是h t 一7 e a s t 装置真空系统运行、 等离子体与器璧相互作用研究的最基本测量工具。 论文基于h t - 7 和e a s t 装置上使用s r s - 2 0 0 质谱仪的功能不能满足实验要 求，利用l a b v l e w 软件开发平台进行软件设计的研究和功能开发。实现用外置 p k r 2 5 1 真空计测量总压强的同时实时快速扫描2 0 0 个通道质量数的分压、监控 杂质气体以及扫描通道配置、数据存储自动化、等离子体放电炮号与质谱图数 据和时间对应、网络远程监控、批处理实验中所有的放电数据等功能。 在两轮e a s t 实验运行中，使用新开发的软件研究了不同壁处理方式对等离 子体放电品质的影响和等离子体与壁之间相互作用，结果表明新软件满足e a s t 实验运行要求，而且具有易用、快速、稳定和智能化等优点，亦能广泛用于各 种真空环境残余气体的分析测量与控制。 关键词：托卡马克，四极质谱仪，l a b v i e w ， 数据采集，数据库 f u n c t i o nd e v e l o p m e n ta n d m a s ss p e c t r o m e t e ri n a p p l i a n c eo f t h et o k a m a k a bs t r a c t q u a d r n p o l e d e v i c e q u a d r u p o l em a s ss p e c t r o m e t e rw a sw i d e l yu s e di nt h et o k a m a kd e v i c e 。i t u s e dt od e t e r m i n et h eq u a l i t yo fv a c u u m ，m e a s u r ep a r t i a lp r e s s u r ew h e np l a s m a f a c i n gm a t e r i a l ( p f m ) w a sb e i n gp r o c e s s e da n dt h ep l a s m ad i s c h a r g i n g ，s u c ha s g l o w d i s c h a r g ec l e a n i n g ，b o r o n i z i n g ，g a s r e s o r t i n gi nt h ep f m ，b a k i n ga n ds oo n i t u s e dt oa n a l y z et h er e s u l to ft h ep f m p r o c e s s e da n do u t g a s s i n gi nt h ep f mw h e n p l a s m ad i s c h a r g i n g i ti sab a s i cm e a s u r et o o l st od e v e l o pt h ev a c u u ms y s t e ma n d t h ep l a s m ai n t e r a c t i o nw i t ht h ep f m i nt h eh t - 7a n de a s td e v i c e s t h i sp a p e rb a s e do nt h ef u n c t i o no fs r s 2 0 0m a s ss p e c t r o m e t e rw h i c hc o u l d n o tm e e ta l lo fe x p e r i m e n t a l r e q u i r e m e n t si nt h eh t - 7a n de a s td e v i c e s t h e s o f t w a r ew a sr e - d e s i g n e da n d d e v e l o p e df o rt h en e wf u n c t i o nw i t hl a b v i e w s o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m t h en e ws o f t w a r ei sa b l et om e a s u r et h et o t a l p r e s s u r ew i t ht h ee x t e r n a lv a c u u mg a u g e ，s c a n n i n g2 0 0c h a n n e l sf a s tf o rm a s s n u m b e r sa tt h e r e a l - t i m e ，s a v i n gt h ed a t aa n ds c a n n i n gc h a n n e l sc o n f i g u r a t i o n a u t o m a t i c ，t h es h o tn u m b e r so fp l a s m ad i s c h a r g i n gi nc o n n e c tt h ed a t ao ft h em a s s s p e c t r o g r a mw i t ht h et i m e ，p r o v i d i n go n l i n em o n i t o r i n ga n dq u e r y i n gb yi n t e r n e t ， d e a l i n gw i t ha l lo ft h ep l a s m ad i s c h a r g i n gd a t ab yb a t c hp r o c e s s i n g i nt h ep a s tt w or o u n d so fe a s te x p e r i m e n t s ，t h en e w s o f t w a r ew a su s e dt o r e s e a r c ht h ei n t e r a c t i o n so nt h eq u a l i t yo fd i s c h a r g i n gp l a s m aw i t ht h e d i f f e r e n t p r o c e s s i n gm e t h o d so ft h ep f m i ts h o w st h en e ws o f t w a r ec a nn o to n l ym e e tt h e e x p e r i m e n tr e q m r e m e n t s ，b u ta l s oh a ss o m ea d v a n t a g e si nt h ee x p e r i m e n t s u c ha s e a s yo fu s e ，f a s t ，s t a b l e ，i n t e l l i g e n ta n ds oo n i ta l s oc a nb ew i d e l yu s e dt om e a s u r e a n dc o n t r o lt h er e s i d u a lg a si nt h ev a r i e t yv a c u u me n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：t o k a m a k ，q u a d r u p o l em a s ss p e c t r o m e t e r ，l a b v i e w , d a t aa c q u i s i t i o n ， d a t a b a s e v 插图清单 图2 1 外真空抽气系统8 图2 2 电流引线罐及低温阀箱抽真空系统图9 图2 3d 形扇形段9 图2 4 内真空室1 0 图2 5 内真空抽气系统l o 图2 6e a s t 差分质谱系统1 1 图2 7p k r2 5 1 的硬件结构及电路示意图1 4 图2 - 8 四极质谱仪工作原理简图1 5 图2 9s r s 2 0 0 软件界面1 7 图3 1 虚拟仪器常见配置方案1 8 图4 1 主从程序结构框图2 7 图4 2 主程序框图及主界面。2 8 图4 3 主程序图2 9 图4 4 参数设置程序3 0 图4 5 连续谱图程序图3 1 图4 6 谱图数据库查看程序3 2 图4 7 文本数据查看程序3 2 图4 8 批量处理炮号程序3 3 图4 9 设置扫描参数3 4 图4 10 连续谱图扫描3 5 图4 1 1 显示总压连续谱图扫描3 5 图4 1 2s r s 2 0 0 自带软件扫描最快的连续谱图3 6 图4 1 3 全谱图扫描3 6 图4 1 4 谱图数据库查看器3 7 图4 1 5 文本数据查看器3 8 图4 1 6 批量处理炮号器3 9 图5 1 四极质谱仪在e a s t 装置上安装示意图4 2 图5 2 远程在线监控界面4 3 图5 3h 2 与d 2 每炮积分量的压强图4 3 图5 4h 与d 每炮积分量比值图4 4 图5 。5 每炮中等离子体密度与h 2 、d 2 的平均压强4 4 图5 68 9 3 3 炮中质量数2 、3 、4 的放电谱图4 5 图5 78 9 3 3 炮中质量数1 8 、2 8 、3 2 、4 4 的放电谱图4 5 图5 8 石墨材料烘烤过程中的放气速率4 6 图5 - 9 石墨材料在不同压强下放气速率4 7 图5 1 0 不同温度下的石墨材料放气速率4 7 图5 1 1 石墨材料从18 加热到不同温度时的质谱图。4 9 图5 1 2 石墨材料在2 0 0 和3 5 0 烘烤后的质谱图4 9 图5 1 3 不同气体的放气速率5 0 图7 1z d r 2 7 c 真空计串口数据采集( z j 2 7 真空规) 5 7 图7 2 t p g 2 5 6 a 真空计串口数据采集( p k r 2 5 1 真空计) 5 7 图7 3p c i2 3 0 6 采集压力罐及p k r2 5 1 真空规压强信号5 8 图7 4p c i2 3 0 6 显示输出分压强控制信号5 8 i x 插表清单 表2 1 聚变装置中的常规压力和气流测量1 2 表2 2s r s 2 0 0 四极质谱仪的参数1 6 表3 。lp c i 2 3 0 6 接口函数列表2 4 表5 1 石墨材料在长时间恒温烘烤后放气速率4 8 表7 1z d r 2 7 c 真空计和t p g2 5 6 a 真空计串口的控制命令5 7 x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得金月巴王些太堂 或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者擗努超签字嗍砷年牛月1 8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金起王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 佥目巴王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：蜜爪起 导师签名 签字日期： 加忙年月【妇 签字日期 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 1 i 电话： 邮编： 致谢 本论文完成的过程中，得到了导师陈长琦教授的悉心指导，导师知识渊博、 治学严谨、工作勤奋等都使我受益匪浅。在攻读硕士学位期间，陈老师在学习、 科研及生活各方面都给了我无限的关心和帮助，谨向他致以崇高的敬意和衷心 的感谢。在中科院等立体物理研究所进行课题研究期间，得到导师胡建生副研 究员和龚先祖副研究员的悉心指导、帮助和无微不至的关怀。他们为我提供良 好的实验条件和学习环境，并以扎实的理论基础和丰富的工作经验给了我细心 的指导，在此向他们表示衷心的感谢! 在本课题的研究中，得到了等离子体物理研究所真空组成员的大力支持和 指导。在学习中，得到王小明研究员、杨道文老师、李生发老师、李高云老师 的细心的指导和教诲。在实验中，特别感谢王厚银、吴金华、李加宏、陈越四 位值班组长对我编写的软件提出许多宝贵的意见，为软件的完善做出非常大的 贡献。同时也非常感谢他们在过去两年时间里给予的照顾和友谊。感谢郑贤香、 王义云、孙明勇、陈鑫鑫、周跃工程师们为我装配、搭建了完善的实验平台! 在过去的三年学习时间里，得到朱武教授、干蜀毅副教授、王旭迪副教授、 王君副教授、沈媛媛老师等给予了许多帮助和指导意见。还得到张建国、郭江 涛、李劫人、吕凤鸣给我学习和生活上的帮助，通过和他们的讨论和交流让我 学习到更多专业知识，在此表示衷心的感谢! 愿同窗之间的友谊永远长存! 还有许多一直关心支持我的老师、同学和朋友，在此不能一- - n 出，特向 你们表示衷心的感谢! 感谢你们在过去的时间里给予我巨大的支持和帮助! 感谢父母、姐姐和姐夫在我读书期间给我有形和无形的支持和默默的奉献! v i 作者：窦仁超 2 0 0 9 - 4 - 16 第一章绪论 能源从不同的角度可以划分成不同的种类：从能源是否可再利用的角度可 分为可再生能源和不可再生能源；从产生的方式可分为一次能源和二次能源。 芬南旨源是指酉创爿獭簧界直接专崧酗拘哉楣卜 廿雕彰荧- 看袖希眵礴舻刊毛彳百 万年前理在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的，又称为化石能源，它们 是当今世界中一次能源的三大支柱，构成了全球能源家族结构的基本框架。一 次能源还包括水能、太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能以及核能等。 二次能源是指无法从自然界直接获取，必须经过一次能源的消耗才能得到的能 源。电能是最主要的二次能源，因为电能是从其它形式的一次能源转化而来。 1 1 能源及目前核能发展咱1 1 1 1 常规能源 人类对能源的需求越来越大，到2 0 2 5 年世界人均耗能将达到4 k w ，按照7 0 亿人口计算，每年总的耗能量将达到2 1 0 2 0 j ，相当于每年燃烧3 1 0 1 0 吨标准 煤，如此巨大的能源消耗，对人类的生存和持续发展构成了极大的威胁。 目前的人类能源消费结构主要为化工燃料，占8 5 以上，大量的开采这些 化石原料，造成地球上的储备量直线下降，地球上的可供开采的化石原料相当 于1 4x10 1 3 吨标准煤，按照目前的消耗及人口变化计算，在未来的3 0 0 至4 0 0 年，地球上的能源将被全部开采，届时将没有能源来保证我们生活的需要，人 类将面临一场浩劫。研究新能源，探索新的可持续利用的能源成为人类的当务 之急，世界各国都在摸索中探询未来可能的新能源，以确保在未来可以替代化 石原料。 太阳能、风能、生物能、水电、海洋能、地热等虽然一定程度上提供了廉 价的能源，且负面影响较小，但这些新能源需要一定的地域优势才能发展起来， 所以很难大范围的推广，满足越来越大的能源缺口。 核能是能源家族的新成员，它包括裂变能和聚变能两种主要形式。裂变能 是重金属元素的质子通过裂变而释放的巨大能量，目前已经实现商用化。因为 裂变需要的铀等重金属元素在地球上含量稀少，在地球上是非常有限的，仅够 几十年使用，即使发展增殖堆，将u 2 3 8 和u 2 3 2 利用起来，裂变能资源也只够人类 使用几百年。而且常规裂变反应堆会产生长寿命、放射性较强的核废料，这些 因素限制了裂变能的发展。而聚变核能是目前尚未实现商用化但具有良好应用 前景的能源之一。 1 1 2 受控核聚变研究 核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核，并释放出能量的过 程。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素氘( 重氢) 与氚( 超重氢) 的聚变，聚合成较重的原子核氦同时释出能量。这种反应在太阳上已经持续了 15 0 亿年。 一氘和氚核聚变较之核裂变有两个重大优点；嘲地球土蕴藏韵核聚变能远一 比核裂变能丰富得多。据测算，每升海水中含有o 0 3 克氘，所以地球上仅在海 水中就有4 5 万亿吨氘。1 升海水中所含的氘，经过核聚变可提供相当于3 0 0 升 汽油燃烧后释放出的能量。如果全部用于聚变反应，释放出的能量足够人类使 用几百亿年。地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的 全部核裂变能的1 0 0 0 万倍，可以说是取之不竭的能源。至于氚，虽然自然界中 不存在，但靠中子同锂作用可以产生，而海水中也含有大量锂。第二个优点是 既干净又安全。因为它不会产生污染环境的放射性物质，反应产物是无放射性 污染的氦，所以是干净的。同时受控核聚变反应可在稀薄的气体中持续地稳定 进行，所以是安全的。聚变能是一种无限的、清洁的、安全的新能源。这就是 为什么世界各国，尤其是发达国家不遗余力，竞相研究、开发聚变能的原因所 在。 受控热核聚变能的研究分惯性约束和磁约束两种途径。惯性约束是利用超 高强度的激光在极短的时间内辐照靶板来产生聚变。磁约束是利用强磁场很好 地约束带电粒子这个特性，构造一个特殊的磁容器，建成聚变反应堆，在其中 将聚变材料加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。2 0 世纪下半叶，聚变能的 研究取得了重大的进展，托卡马克类型的磁约束研究领先于其它途径。 目前实现核聚变已有不少方法。最典型的方法是“托卡马克 型磁场约束 法。它是利用通过强大电流所产生的强大磁场，把等离子体约束在很小范围内 以实现。近年来各国实验已取得非常大的进步，但要达到工业应用还有段距离。 按照目前技术水平，要建立托卡马克型核聚变装置，需要突破一些关键技术并 且需要大量资金。 1 1 3 我国核聚变装置的研究 自7 0 年代初，中国科学院物理研究所建立了我国第一个托卡马克装置c t 一6 以来，我国先后又在中国科学院等离子体物理研究所、核工业部西南物理所、 中国科学技术大学等建成了h t - 6 b 、h l - 1 、h t 一6 m 、k t - 5 等一批中小型常规托卡 马克装置，开展了一系列的物理研究，如c t - 6 上的反馈控制、阿尔芬波模转换 和交流调制实验；h t 一6 b 上外部螺旋场对m h d 不稳定和约束的影响研究；低杂 波驱动电流及其反馈控制系统的研究；h l - 1 装置上m h 模的转换研究；h t 一6 m 上波加热和表面加热改善的约束实验研究；k t - 5 上的低频波实验研究。1 9 9 4 2 年底，中国科学院等离子体物理研究所根据世界核聚变的发展方向，抓住国际 合作机遇，接受原苏联库尔恰托夫研究所t - 7 超导托卡马克装置及低温液氦系 统、电源系统和一些先进的诊断设备及计算机控制、数据采集系统，并对其进 行彻底的改造，成功地建成了我国第一个超导托卡马克h t 一7 装置。使我国成为 继俄罗斯、法国、日本之后，国际上第四个拥有和掌握超导托卡马克装置技术 的国家。1 9 9 5 年初第一次放电成功，经过几年的运行和调试实验，已经取得了 令人瞩目的研究成果。h t - 7 成功的运行及取得的成绩不仅为我国聚变研究走向 世界打下了坚实的基础，而且在工程上积累了许多与未来大型超导托卡马克装 置建设相关的技术储备和装置运行、维护时的经验。但由于h t 一7 的圆截面等离 子体位形和只有纵场系统是超导的，极向场系统仍然为常规的导体，这些局限 性造成了h t - 7 装置无法开展先进托卡马克稳态模式的运行研究。为使我国核聚 变研究再上一个新台阶，进入世界先进行列，必须建造一个能够对世界聚变重 大前沿课题进行研究的新装置。 e a s t 装置正是在上述背景下，立项建造的一个具有非圆截面的大型全超导 托卡马克装置，即纵场和极向场都采用超导线圈，它的建造将使我国成为少数 几个拥有这种类型的全超导托卡马克的国家之一，并使我国核聚变研究在二十 一世纪初进入世界前沿，建成后的l o 一1 5 年期间里，将在装置上开展稳态、安 全、高效运行的先进托卡马克聚变堆的前沿性物理问题的实验研究，这是我国 磁约束聚变研究的一个难得的机会，因此e a s t 的建设不仅是我国开发聚变能的 一个重要步骤，而且也奠定了我国磁约束聚变研究在国际上的大国地位，其科 学目标十分先进，意义非常重大。 1 2 四极质谱仪的研究现状叩q 引 四极质谱仪主要是用来测量气体组成成分的仪器。它的工作原理是：首先 将待测的气体电离，随后将离子束引入射频四极场，此时一部分具有一定质核 比的离子，在射频四极场的作用下，沿着稳定轨道向前运动，然后通过一定长 度的四极场到达终端接收器。而其余部分离子的运动轨道则是不稳定的，它们 在四极场内的运动过程中，将逐渐加大振幅，最终打向周围的四极杆表面及器 壁，而不能到达离子接收器。离子接收器将接收到的离子流进行放大，最后得 到一个离子束流强度对质荷比的分布图，即质谱图。 早期的四极质谱仪研究中主要是强调提高制造高精度的四极杆系，以免引 入变形场，破坏仪器的质量分辨率。如a u s t i n 等人推导出四极杆质量分析器的 极限分辨率正比与( 机械误差) - 1 30 在进一步的研究中发现，当采用圆柱杆系 组成线性四极杆时，通过改变杆半径r 与场半径r 。的比率可调整高阶场的贡 献量，从而优化质谱峰形和分辨率。而近期的研究方向为： 让四极质谱仪工 作在m a t h i e u 方程解的稳定性图中高级稳定区上，如i i 和i 稳定工作区；通 过四级杆多级串联和四极杆与其它质量分析器的混合连接以互补不足；提高 四极质谱仪数据系统的精密度、灵敏度和优化显示数据显示界面。总之，目前 四极质谱仪朝着体积小型化，分析对象不断扩大化，仪器性能上实现高分辨、大 质量范围、快速分析以及成本的有效降低等方向发展。 在国外，四极质谱仪被广泛的应用在所有的托卡马克装置上，是真空检漏、 残余气体分析及定性判断等离子体好坏等必需的装置。例如，美国的p d x 、t f t r 、 d 一d ，日本的j t 一6 0 u 、j a e r - m ，欧共体的j e t ，韩国的k s t a r ，国际聚变工程 试验堆i t e r 上都有四极质谱仪，主要用于监测辉光放电，离子回旋清洗，硼化 过程中气体成分及压强的变化，判断真空系统漏点、漏孔的大小以及位置、分 析并检测h 及其同位素的变化等。由于托卡马克实验的不同需求，国外研究机 构为自行研制符合自己需求的四极质谱仪或高价购买分辨率高、响应迅速，扫 描周期短的产品。在国内，由于研究基础薄弱，而且错过了四极质谱仪发展的 繁荣时期，我国在四极质谱仪的开发与生产上仍处于发展阶段。h l - 2 a 装置上 曾使用过南京分析仪器厂生产的s z 0 0 1 型快扫描遥控质谱仪，但由于种种原因，南 京分析仪器厂已经不再生产此类四极质谱仪。所以目前在国内托卡马克装置上使用的 四极质谱仪基本都为国外产品。 l - 3 本课题研究的主要内容介绍 1 3 1 课题的来源 “九五”国家重大科学工程h t - 7 和e a s t 两大装置，瞄准核聚变能研究前 沿，开展稳态、安全、高效运行的先进托卡马克聚变反应堆基础物理和工程问 题的国内外联合实验研究，为核聚变工程试验堆的设计建造提供科学依据， 推动等离子体物理学科其他相关学科和技术的发展。 h t - 7 和e a s t 装置内、外真空室的残余气体变化对等离子体的影响是巨大 的，它直接关系到放电成功或失败，对装置上部分设备的安全影响也是直接的。 为了能有效检测h t 一7 和e a s t 装置内的真空残余气体变化，体积小、重量轻、 不需要磁场、价格便宜、操作方便的四极质谱仪s r s 一2 0 0 被广泛地应用在装置 上。 四极质谱仪s r s - 2 0 0 作为一种性价比较高的商业产品，能够满足一般真空 环境下的残余气体测试分析要求，但对于复杂多变的e a s t 装置真空环境， s r s - 2 0 0 质谱仪明显不能满足装置实验的特定要求。其缺点主要表现在： 1 、s r s - 2 0 0 自带的真空总压强测量器容易被污染失效，总压失效后无法精确计 算分压强值，且总压数据无法实时保存。 2 、s r s - 2 0 0 质谱软件在总压测量器失效后不具有灯丝自我保护功能，使得灯丝 容易被污染、烧坏。 3 、在一轮h t - 7 或e a s t 实验中，往往会有数干次的放炮试验，在试验结束后很 4 难将以前放电炮号与质谱图中的数据对应起来，所扫描的数据几乎没有什么分 析价值。 4 、s r s 一2 0 0 质谱软件在连续谱图扫描情况下最多只能同时扫描1 0 个质量数， 通道数严重不足，使得无法完整的了解内真空室的气体成分组成及其变化情况。 另外对于一些敏感的气体，如：h 。o 、c 0 、0 ：、c o ：和o i l 等需要实时监测，一旦 发现超过预设阀值就要发出警报或直接发出控制信号让保护装置自动启动并停 止放电保护相关设备。 5 、s r s - 2 0 0 质谱软件最快扫描速度为l o a m u s ，而且在实际使用中比这个速度 更慢。也就是说如果要扫描2 0 个质量数至少的需要2 秒以上的时间，而h t 一7 和e a s t 高参数( 高电流、高功率、强磁场) 等离子体放电实验中整个过程一般 只有1 1 0 秒，质谱仪无法真实反映放电过程中内真空室的残余气体变化过程， 所以需要缩短质谱仪的扫描周期。 6 、s r s - 2 0 0 质谱软件存储数据的文件容量小于5 0 0 k b ，当其工作在扫描连续谱 模式且扫描参数设置为1 0 个通道、2 s 周期时，在连续工作四个小时后必须人 工存储一次数据文件，否则会导致后期采集的数据完全丢失。 7 、在一轮h t - 7 或e a s t 实验后往往会有数以百计的质谱存储文件，这些文件而 且都是以木r g a 格式进行保存，无法直接查看、使用这些数据质谱数据，必须 将其转换成a s c i i 码后才能用e x e c e l 或文本编辑器打开。实验人员得花大量的 时间和精力来转换、处理这些文件。 8 、h t - 7 和e a s t 实验中分为总控制室和许多子控制室，一般质谱扫描操作界面 只是显示在真空控制室。如果总控制室及其它子控制室想了解真空残余气体情 况，就必须到此子控制室或者打电话询问质谱的相关情况，严重影响了试验的 效率。如果新软件能将质谱仪的工作界面发布到网络上去，并对不同浏览者设 定不同权限，高权限的浏览者不仅可以很有查看的权利，而且还可以拥有远程 修改质谱仪相关参数的权利，这就更方便试验的运行。 考虑到成本因素和目前市场上并没有能完全满足上述所有的特定要求的商 业质谱仪，所以决定对s r s - 2 0 0 软件进行重新编写并合理配置部分硬件。 1 3 2 课题的目的、意义 研究用低成本的四极质谱仪s r s - 2 0 0 实现h t - 7 e a s t 装置实验运行中的特 定功能，如对h t - 7 e a s t 装置真空室里的总压及杂质气体进行实时监控，用信 号触发四极质谱仪能自动保存放电期间的试验数据，对四极质谱仪存储的大量 数据进行高效、便捷的查询，让质谱仪提供网络观测和控制功能。 通过重新编写四极质谱仪的软件及合理硬件，快速、准确测量h t 一7 e a s t 装置真空室里的残余气体，为研究不同壁处理方式对等离子体放电品质的影响 和等离子体与壁之间相互作用，提供更准确、有用的实验数据，为试验人员找 到合适的等离子体放电参数提供参考数据，也为e a s t 和以后的聚变堆的建造、 运行和实验提供科学认识。 1 3 3 研究的主要内容及拟解决的问题 研究的主要内容是：研究四极质谱仪的硬件结构原理及软件的底层程序代 码，重新编写软件程序；根据实验需求，删除冗余功能，增补需求功能，优化 程序结构。 拟解决的问题： ( 1 ) 用真空规z j - 2 7 或p k r 2 5 1 测得真空室总压值作为新软件的总压值； ( 2 ) 将d ：和h e 压力罐测量值显示在新软件界面上并保存数据； ( 3 ) 在多通道、快速采集的情况下，将最小采集周期提高至0 6 s - - - , 1 s ； ( 4 ) 在连续采集的情况下，扩大采集通道数； ( 5 ) 数据采集与存盘实现自动采集和自动存盘； ( 6 ) 实现数据采集同等离子体放电炮号同步； ( 7 ) 用新编的软件实现对残余气体进行监测，及时显示报警、反馈控制； ( 8 ) 对采集的数据和质谱仪扫描的数据进行数据库保存，管理，查询； ( 9 ) 为质谱仪提供网络远程监控功能； ( 1 0 ) 提高四极质谱仪在托卡马克装置上的使用功能。 1 4 本章小结 在常规能源日益紧缺的当今世界，各国将目光投向了核能。本章在比较介 绍当今世界各国的核能建设的基础上，介绍了我国从事核聚变的历程以及取得 的一些成果，并结合实验需求，提出本课题的研究任务，讨论研究方法的可行 性，分析了研究的意义。 6 第二章e a s t 装置的真空系统概述 e a s t 装置的真空系统是e a s t 装置的重要组成部分。真空系统的主要任务 是为e a s t 装置的运行提供良好的真空环境。真空室残余气体的质谱图在一定程 度上反映出真空环境和第一壁表面清洁的状态。真空抽气系统必须满足真空室 器壁烘烤、放电清洗和器壁处理等工艺的抽气要求。同时将试验期间产生的所 有废气能及时排出的功能。所以，聚变装置真空系统已发展成为具有抽、运、 排等多功能的真空系统。e a s t 装置的真空测量系统是实验运行最基本的测量系 统，为判断装置安全高效运行提供实时、直接的依据。 2 1e a s t 装置的总体概述幢“”“耵 e a s t 实验系统主要由以下几个部分组成：e a s t 超导托卡马克装置；大型低 温制冷系统( 液氦、液氮) ：高功率电源及回路系统；真空系统；高功率波电源 驱动系统：高功率波加热系统；诊断测量系统；计算机控制及数据采集、处理 系统；水冷系统等各个有机零部件组成。 e a s t 超导托卡马克装置主要组成部分有如下几个部分： 1 、极向场：极向场的作用是提供等离子体的加热与平衡。e a s t 装置的极向场 由上下对称分布的中心螺管及三对大线圈组成，采用全超导设计方案。 2 、环向场：环向场的作用是与等离子体的极向场合成一多重螺旋场以约束等离 子体。e a s t 装置环向场系统由1 6 个d 型线圈组成，每个线圈都包含1 8 个双饼 共4 4 4 匝，饼间、匝间绝缘厚度分别为2 0 m m 、0 5 m m 。 3 、真空室及其内部部件：e a s t 装置真空室由十六个d 形截面的扇形全硬段焊 接而成的双层结构，内外层均采用8 m m 厚不锈钢板。 4 、冷屏：超导托卡马克装置中冷屏的主要作用是用于减少超导磁体热负荷。为 有效的减小e a s t 超导环向场与极向场的热负荷，在e a s t 环向场与真空室之间 设置有内冷屏，在环向场与外真空杜瓦之间设置有外冷屏。e a s t 冷屏的材料为 不锈钢。 5 、外真空杜瓦：超导托卡马克装置中的外真空室的主要作用是为冷质部件提供 一个低对流传热的环境。e a s t 装置各大部件的重量都经由外真空室传递到水泥 基础上，因此外真空室应具有足够的刚性。外真空室的结构由顶盖、中环及基 座三大部件组成。外真空室杜瓦的材料为不锈钢。 2 2e a s t 装置的真空系统 2 2 1e a s t 真空系统的主要任务及作用 真空系统在整个e a s t 装置中是非常重要的组成成分，它的外真空室为低温 超导提供先决条件，它的内真空室为高温的等离子体聚变提供了环境。它的运 7 行主要包括对内、外真空室、电流引线罐、低温阀箱、低杂波室、传输线管进 行抽气，对真空压强进行实时测量和监测，对真空室进行充气、烘烤、辉光放 电清洗( g d c ) 、离子回旋清洗( i c r f ) 、硼化等，对杂质进行分析以及真空漏率 检测、查找、排除等。 2 2 2 外真空系统 外真空分为两个部分，主机部分和电流引线段部分。其中主机部分的真空 体积为2 i o m 3 ，由于内部有复杂的低温系统，所以表面积无法计算。它主要为 低温超导线圈提供真空环境。常温下主体部分的压强可以抽到10 1 p a 量级，而 电流引线端可以进入1 0 q p a 量级。常温下外真空室的漏率在1 0 一p a m 3 s 量级。 在降温后，它们的极限真空可以达到1 0 巧p a 量级，而此时的外真空室漏率可以 降低到l o p a m 3 s 量级。 外真空抽气系统是由外真空室、抽气管道、分子泵机组、冷却水路、冷阱、 罗茨泵机组、旋片泵机组、以及各种阀门、真空计、电源等组成，如图2 一l 所 示： 图2 一l 外真空抽气系统 外真空抽气机组由分子泵抽气机组和粗抽气机组组成。分子泵抽气机组是 四台c f d 2 5 0 口径的立式涡轮分子泵( 每台名义抽速为1 5 0 0 l s ) 和一台1 2 0 0 l s 的复合分子泵，其主要用于高真空环境的获得。粗抽气机组是由四套罗茨泵加 旋片泵( z j p 6 0 0 + 2 x - 7 0 ) 组成，其主要是用于粗抽阶段即对外真空室从大气压 抽到分子泵能启动的阶段。 电流引线段部分主要是常规电线至超导电线间的过渡部分，其也是在真空 低温环境下，具体如图2 - 2 所示。所有抽气机组都是一样的，都为f b 一4 5 0 型分 子泵加干泵串联双级式抽气结构。 8 田2 - 3d 彤扇彤段 图2 4 内真空室 内真空抽气系统是由内真空室、抽气管道、分子泵机组、冷却水路、低温 泵机组、冷阱、罗茨泵机组、旋片泵机组、以及各种阀门、真空计、电源等组 成，如图2 - 5 所示： 幽2 - 5 内真空抽气系统 内真空抽气系统主要是由分子泵机组、低温泵机组和粗抽机组组成。其中 主泵是由4 台3 5 0 0 l s 的分子泵，一台2 5 0 0 l s 的复合分子泵，儿台外置低温 泵( 每台名义抽速：对于氢为1 3 2 0 0 l s ，对于水为1 7 3 0 0 l s ，对于空气为 5 8 0 0 l s ) ，一台设计参数为l5 0 0 0l s 内置低温泵组成，总抽速约为9 5 3 0 0l s 。 前级泵机组是由四套罗茨泵加旋片泵( z j p 6 0 0 + 2 x 一7 0 ) 组成，其主要是用于初 期从大气压到分子泵启动的粗抽阶段。内真空的运行模式一共分为五种情况：0 粗抽模式，主要是用于试验刚启动时对内真空进行抽大气，此时只先启动所有 旋片泵，待气压降到1 0 0 0 p a 左右时再启动所有的罗茨泵，当内真空室被分子泵 和低温泵抽到高真空或超高真空时，可| 三【关闭部分罗茨泵和旋片泵，其仍可以 维持真空度的保持； 抽极限模式，在此模式下将启动所有的分子泵和低温泵 对内真空室进行抽气，在对内真空室进行烘烤、辉光、硼化后，真空度可以达 到1 3 e - 6 p a ：检漏模式，在此模式下会关闭所有的低温泵而仍旧运行所有其 它真空泵，因为在检漏的时候如果烘烤温度过高，就导致本底很高，无法检漏， 所以需要继续抽气以维持真空度；如果系统有个大漏，进去的h e 被低温泵吸附， 并会在检漏过程中慢慢释放出来，干扰检漏；壁处理模式，在此模式下会只 运行一台复合泵机组而停掉所有低温泵真空泵，因为在壁处理时内真空室压强 要求维持在1 0 。3 p a 至1 0 p a 之间； 放电模式，此模式和抽极限模式类似，但 为保持恒定的抽气速率，一般会保留1 至2 台低温泵不使用，用以替换需要进 行再生的低温泵。 2 3 其它辅助真空系统 2 3 1 质谱计差分系统 试验运行中会对内真空室进行加热烘烤、辉光清洗( g d c ) 、离子回旋清洗 ( i c r f ) 、硼化第一壁等操作，这些过程中内真空室压强值将远超过1 0 e - 2 p a ， 使四极质谱仪无法工作。为了能用四极质谱仪来了解内真空室残余气体各成分 及压强值的变化情况，所以用差分系统来解决内真空室压强过高，四极质谱仪 无法工作的问题，如图2 - 6 所示。差分系统主抽气泵为f b - 4 5 0 型分子泵，理论 抽速为4 5 0l s ，前级采用于泵。v 2 d 、v 3 d 和v 4 d 是高真空插板阀，v 2 为微调 阀，r g a 为s r s - r g a 2 0 0 四极质谱仪，用于实时测量内真空残余气体变化。 图2 - 6e a s t 差分质谱系统 2 4e a s t 装置的真空测量 2 4 1e a s t 装置的真空测量h 卜2 叼 真空测量技术是一种复杂的测量。通常的工业使用真空计只能用来粗略地 指示真空度，精密测量用真空计的最小误差估计也为2 0 3 0 ，只有经过专门 校准的真空计的误差才能降低到5 - - 1 0 。如果忽略微电流精确测量的困难，造 成真空测量误差的主要原因是残余气体与压力探测器( 以下简称规管) 以及真 空室器壁之间的物理化学作用和热反应过程的难于控制或完全不能控制。 聚变装置的放电室不是一个等温系统，中性气体并不处于热平衡和各向同 性的气体标准状态，压强己不是它原来的各向同性温度下作为分子密度的单值 函数。此外，真空物理参数的时空分布显现出很重要。因此，聚变装置中的真空 测量首先要选择合适的被测物理量，第二是如何正确解读测量系统所显示的时 空分布现象。在分析核真空测量的方法问题时，应特别注意聚变装置中的特殊 条件。这些条件中最重要的是：真空室器壁、真空室内零部件的出气和吸附的非 均匀性，产生定向分子束的准点状气体源的存在和热场的非均匀性。这些因素的 存在导致剩余气体分子的速度场、分子浓度、压强和其它状态参数的各向同性 的破坏。真空室的抽气时间常数与气体分子在器壁表面的居留平均时间之比值 是在大型系统中气相分子各向异性的一个主要的判据。 在分析非稳态的气体运动状态下的真空测量特点时，要考虑两种非稳态过 程。第一种非稳态过程是由压力探测器本身的特性决定的。其中，首先是由外部 原因引起的气体分子密度突变在探测器连接管道处受到传播速度限制所造成的 传输延迟；其次是与探测器器壁上被破坏的吸附平稳状态的恢复相关联的吸附一 解吸过程的不稳定性。这两种因素均影响探测器的实时显示特性。另一种非稳 定过程包括：真空室器壁对气体的吸附( 壁抽气) ，差级抽气系统和多室系统中 的过渡过程，以及器壁真空烘烤下的热出气分析等。器壁材料热解出气分子束 的动态质谱测量方法可以最大限度地避免定容升压法中容器壁效应的影响，但 质谱管电极表面效应影响依然存在。 2 4 1 1 聚变装置中的真空测量分类 磁约束聚变装置的真空系统运行期间，压力和气流等测量需要相当宽的范 围。表2 1 列出这些测量和预计所需的精确度和待测量程阳9 2 卜2 引。 表2 - 1 聚变装置中的常规压力和气流测量 测量精确度量程常用仪器和方法 本底压力 1 0 0 1 0 巧p a电离真空计 出气率 1 0 0 1 0 7 p a m 3 s 一1动态质谱分析法 漏率 - e 1 0 0 1 0 6p a m 3 s 1静态压力升高法氦质谱检漏仪 充气压力 ：t - 5 1 0 一1 0 1p a电容薄膜真空计，热电阻真空计 充气速率( 气流) 5 1 0 - 4 _ 1 0 2稳压贮气罐通过压电晶体阀喷气 p a m 3 s 1注入 残气分析( r g a ) 1 0 1 0 - 1 01 0 一2 p a真空质谱仪高分辨四极质谱仪 器壁吸气氢存 l 1 0 - s1 0 1 p a收集壁放气、低温分馏质谱分析 留 等离子体周围中 15 1 0 一一1 0 1 p a强磁场中的快响应抗干扰电离规 性粒子压力( 密( n ：) 1 0 - 1 5 1 2 l 童!il! 呈! 堕ii 聚变装置真空室总压力测量在1o 一1 0 1 p a 范围常用热阴极电离规和冷阴 极潘宁放电规，大于1 0 叫p a 的压力测量应用电容压力规和皮拉尼电阻规。对定 量的气流测量，气体注入系统的上游采用电容压力规，下流采用皮拉尼电阻规 或