針對中性束注入等離子體加熱過程中的高真空條件要求，借助于國際合作方式，我們為HL- 2A裝置中性束注入器設計了一種大吸附面積的高抽速鈦泵系統。鈦泵系統抽速設計值為30 萬L/s，由兩臺大泵和一臺小泵組成，兩臺大鈦泵分別置于注入器主真空室左右兩側，小鈦泵置于注入器副真空室右側。運行實驗結果表明，鈦泵完全滿足HL- 2A 中性束注入實驗的要求。本文主要介紹了鈦泵的工程設計和實驗運行結果，簡要分析了HL- 2A 裝置中性束加熱系統高抽速鈦泵的運行特點。

　　中性束注入是磁約束核聚變實驗中有效的輔助加熱方式，它具有加熱效率高，加熱機制明確等優點，同時也是電流驅動、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。為保證HL- 2A 裝置中性束注入加熱的正常運行，系統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) 處靜態真空度為10^-5 Pa 量級，NBI 注入脈沖期間真空氣壓值≤3×10^-3 Pa 量級，基于HL- 1M以及ASDEX 裝置的NBI 系統運行經驗，我們選用具有高抽速的鈦升華泵作為主泵，分子泵為前級泵。金屬鈦在足夠高的溫度(1100℃)下會直接升華， 升華出來的鈦沉積在冷卻金屬表面上，形成鈦膜，鈦膜與活性氣體結合成穩定的化合物，從而起到高速抽氣作用。鈦升華泵是一種結構簡單、造價低、使用方便、對活潑性氣體抽速大、工作范圍寬廣、從低真空直至超高真空可以連續工作的一種無油真空泵。大多數中型規模的磁約束聚變實驗裝置的NBI 加熱系統采用高抽速鈦泵作為注入器與主機之間的差分真空抽氣系統。

　　為滿足HL- 2A 裝置中性束對真空條件的要求，我們為HL- 2A 裝置的中性束加熱系統研制了一套由兩臺大吸附面積鈦泵和一臺小吸附面積的鈦泵組成的高抽速真空抽氣系統。本文主要介紹HL- 2A 裝置中性束加熱系統鈦泵的研制和運行情況，通過NBI 系統調試過程中送氣流量和真空氣壓的瞬態變化特性測試了鈦泵的抽速，分析了鈦絲熔化、彎曲和起皮等幾種常見的故障現象。

　　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冷卻的表面上，形成新鮮的鈦膜，與活性氣體反應形成穩定的化合物，從而達到抽氣效果。鈦膜吸附被抽氣體分子的吸附機理是比較復雜的，通常認為是物理吸附和化學吸附綜合作用的結果，以化學吸附為主。鈦升華泵的結構大致可分為三部分：吸附器、升華器、電源及控制器。

　　1.1、吸附器設計

　　根據D.J.Harra 等人提出的鈦泵抽速計算公式，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，鈦泵的吸附面采用水冷，所以溫度為室溫，這里我們取σ 為0.02，K 為吸氣面的比通導(L/ (cm2·s))，可表示為K=3.64姨T/M ，T 為氣體絕對溫度(K)，M 為氣體的摩爾質量(g/mol)，A 為吸附面積(cm2)。按照HL- 2A 裝置NBI 注入器真空室結構尺寸，我們在注入器主真空室安裝兩臺大鈦泵，副真空室安裝一臺小鈦泵。大鈦泵由6 個吸附室組成，小鈦泵由4 個吸附室組成。每個吸附室安裝3 對鈦絲，大鈦泵每個吸附室的尺寸為高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，按編號順序運行，目是使吸附壁有更長的時間冷卻。吸附面選用鋁作為基底材料，這是因為鈦能很好的粘合在鋁上；為提高鈦的附著效果，避免鈦膜起皮，沉積面要經過嚴格的化學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。鈦泵吸附器結構示意圖見圖1 所示。

圖1 鈦泵局部結構示意圖

　　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，整個鈦泵系統的設計抽速為3.4×10⁵ L/s，設計抽速遠高于常規的排除式抽氣機組的抽氣能力。

　　1.2、升華器設計

　　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。前者制作簡單，但鈦的利用率低，一般不超過30%；后者制作工藝較復雜，但鈦儲量比前者大，利用率也可高達70%，去氣較徹底，容易控制鈦蒸發率，缺點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，在長期工作后，容易發生局部蒸發率過大，使鈦絲局部溫升過高以至燒斷，影響使用壽命。這里我們采用纏繞式鈦升華器，其結構為在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，相當于每10 厘米長度上繞制圈數在95 圈左右，繞制好的成品絲呈直線型，長度分1.7 m 和0.68 m 兩種。繞制好的成品絲要求電阻均勻，用電橋測得安裝好的升華鈦絲電阻為0.043 Ω 左右。每兩根絲下端通過一個銅連接塊連在一起，絲的上端與供電電源相連，這樣每個吸附室內有3 對鈦絲用作升華器。大鈦泵由6 個吸附室組成，小鈦泵由4 個吸附室組成，整個鈦泵升華器共需要72 根1.7 m 長鈦絲，24 根0.68 m 長鈦絲。

　　1.3、電源及控制系統

　　在高真空下鈦薄膜將在較長一段時間內維持較高的抽速，因此，周期性進行鈦升華，可最大限度地發揮鈦膜的抽氣能力，于是我們設計了可周期運行的專用鈦泵電源。鈦泵電源主要用于加熱鈦絲，對電源紋波沒有要求，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流輸出。每臺鈦泵配備一臺電源，鈦泵電源是一套交流調壓可控直流電源：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；輸出為6 脈波。鈦泵電源主回路原理見圖2 所示，三相交流(380V 市電)輸入經可控整流橋，輸出可調三相交流，進入整流變壓器和全波整流后，向負載供電。

圖2 鈦泵電源主回路供電示意圖

　　電源內部采用SZB6 控制板控制，該控制板是以工業級的單片機為核心組成的全數字控制、數字觸發系統，它由電源變壓器、電源穩壓電路、三相同步電路及處理模塊、數字調節器、數字觸發器、六路相互隔離的脈沖輸出電路、開關量輸入、故障及報警輸出電路、模擬量處理及A/D 轉換電路、參數設置及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。運行時依次給每對絲通電，脈寬為150 s~300 s 可調，一般采用脈寬150 s。整個電源的時序和電流值均由NBI 加熱PLC 控制系統來完成，采用如下三種方式：

　　① 連續循環模式，即打開電源后依次循環；

　　② 單循環模式，即電源打開后運行一輪后關斷；

　　③ 單觸發模式，即手動觸發一對鈦絲蒸鈦。這種模式下還可以通過程序控制，利用tokamak放電間隙蒸鈦。

總結

　　鈦泵是HL- 2A 中性束加熱系統獲得高真空以及實現注入過程差分抽氣的有效設備，通過運行，測得剛蒸完鈦后實際抽速達到1.1×10⁵ L/s，接近設計值，實際的鈦儲量接近理論值，通過一輪的實驗驗證了鈦泵運行滿足注入器的實驗要求。通過觀察運行時的采集波形，鈦絲一般在電流30 A 時開始出氣，在電流40 A 就達到最大出氣量，鈦泵正常蒸鈦電流間于120 A 至150 A 之間。可以通過觀察真空氣壓變化來優化設置電源輸出電流，從而提高鈦絲使用壽命。另外通過分析鈦絲非正常運行的原因，避免鈦絲過早熔化、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驗運行結果將為研制更高抽速的HL- 2M 裝置NBI 注入器鈦泵提供技術儲備。