【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）SUNIST球形托卡馬克真空系統(tǒng)— 系統(tǒng)、運(yùn)行、壁處理及質(zhì)譜分析-核科學(xué)與技術(shù)

形托卡馬克真空系統(tǒng) 系統(tǒng)、運(yùn)行、壁處理及質(zhì)譜分析 (申請清華大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 ) 院（系、所 ） ： 工程物理系 專 業(yè) ： 核科學(xué)與技術(shù) 研 究 生 ： 指導(dǎo)教 師 ： 教 授 2004年 6 月 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解清華大學(xué)有關(guān) 保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留學(xué)位論文的復(fù)印件，允許該論文被查閱和借閱；學(xué)校可以公布該論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存該論文。 (涉密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定 ) 簽 名： 導(dǎo)師簽名： 日 期： - I - 中文摘要 中國第一臺球形托卡馬克裝置，其建造目的在于擴(kuò)展對低環(huán)徑比的環(huán)形等離子體物理的理解，并由非感應(yīng)方法啟動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)可維持的靶等離子體，用以研究相關(guān)的物理問題。 本次論文工作的主要任務(wù)是建立并運(yùn)行 置的真空系統(tǒng)，對裝置進(jìn)行壁處理，為等離子體放電實(shí)驗(yàn)提供一個(gè)清潔的真空環(huán)境。 本次論文工作完成了真空室與系統(tǒng)的清洗、組裝、運(yùn)行和維護(hù)，設(shè)計(jì)制作 阻貼片烘烤電路對真空室進(jìn)行了烘烤除氣，10漏放率控制在低于 10m3/s 的水平；設(shè)計(jì)制作了送氣系統(tǒng)以及壓電閥脈沖送氣電源，并對 (國產(chǎn) )與 （美國產(chǎn)）壓電閥的脈沖特性進(jìn)行了測試和比較；設(shè)計(jì)制作了裝置的輝光放電系統(tǒng)，通過對真空室內(nèi)壁進(jìn)行氦直流輝光放電清洗（ 低了壁中氧雜質(zhì)的含量；利用摻 硅烷的輝光放電對真空室內(nèi)壁進(jìn)行了等離子體化學(xué)氣相沉積（ 使內(nèi)壁沉積上一層非晶硅薄膜，改善了等離子體放電的品質(zhì)；利用四極質(zhì)譜計(jì)測量真空室殘留氣體的質(zhì)譜，分析了本真空系統(tǒng)殘留氣體的組成和分壓。 關(guān)鍵字 ： 球形托卡馬克， 空，硅化，質(zhì)譜分析 - is to of at a by of is to to of a is up of A is TC of 10a to 10a m3/s. We of S A is to of e 2. is a of is on of We of in a of 目 錄 第 1 章 引言 . 1 從托卡馬克到球形托卡馬克 . 1 核聚變裝置中的真空技術(shù) . 3 課題工作 . 4 第 2 章 空室安裝 . 5 置簡介 . 5 真空室安裝 . 7 空部件清洗 . 7 聲清洗 . 8 形真空 室組裝 . 10 蘭窗口的密封 . 11 空室壁上的探針線圈安裝 . 13 第 3 章 空抽氣和檢漏 . 18 抽氣機(jī)組及安裝 . 18 主抽泵組 . 18 維持泵 . 21 抽氣情況 . 23 真空檢漏 . 25 檢漏儀及接入方式 . 25 檢漏調(diào)試 . 27 總裝檢漏 . 29 實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的漏孔 . 31 第 4 章 送氣系統(tǒng) . 32 氣系統(tǒng)介紹 . 32 與 壓電閥脈沖特性測試 . 33 試驗(yàn)安排 . 33 - 試驗(yàn)的參數(shù)范圍 . 36 電閥的送氣量 . 36 電陶瓷充氣閥的脈沖特性 . 38 測試結(jié)論 . 40 壓電閥脈沖電源 . 40 第 5 章 真空烘烤 . 43 件烘烤方案 . 43 烘烤實(shí)驗(yàn)裝置 . 44 烘烤電源 . 47 烘烤運(yùn)行 . 49 第 6 章 輝光放電清洗 . 51 直流放電 . 51 輝光放電清洗裝置 . 52 清洗原理 . 52 單陽極清洗的不足和解決方法 . 53 輝光放電電源 . 56 輝光放電清洗 . 57 第 7 章 真空室內(nèi)壁硅化沉積處理 . 60 真空室內(nèi)壁原位處理技術(shù)進(jìn)展 . 60 真空室內(nèi)壁硅化的原理 . 61 化沉積實(shí)驗(yàn) . 62 硅化處理后的托卡馬克放電特點(diǎn) . 63 第 8 章 殘留氣體質(zhì)譜分析 . 65 四極質(zhì)譜計(jì) . 65 殘余氣體質(zhì)譜分析 . 65 結(jié) 論 . 70 - V - 參考文獻(xiàn) . 71 致 謝、聲明 . 73 個(gè)人簡歷、在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 第 1 章 引言 - 1 - 第 1 章 引言 從托卡馬克到球形托卡馬克 托卡馬克問世于前蘇聯(lián)庫爾恰托夫研究所，其簡單原理是：在一個(gè)環(huán)形的真空室中，由強(qiáng)環(huán)形磁場和等離子體電流產(chǎn)生具有旋轉(zhuǎn)變換的環(huán)形對稱的磁場位形，提供約束等離子體的條件。按照“勞遜判據(jù)”，等離子體溫度 T，等離子體密度 n 與能量約束時(shí)間 E 的三乘積 大于 5 1021s 時(shí)氘氚聚變反應(yīng)才能自持地進(jìn)行 1。 1965 年蘇聯(lián) 置取得了比當(dāng)時(shí)西方裝置高兩個(gè)數(shù)量級的能量約束時(shí)間，這一驚人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果開創(chuàng)了托卡馬克時(shí)代。 1991 年 9 月，歐共體的 卡馬克裝置成功地實(shí)現(xiàn)了聚變歷史上第一次氘氚運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，獲得的聚變功率輸出為 W，能量增益因子 Q=。 2003 年， 1020s 3這一重要參數(shù)在過去 20年內(nèi)已經(jīng)提高了萬倍，已經(jīng)非常接近點(diǎn)火的指標(biāo)。 1986 年，美籍 科學(xué)家彭元?jiǎng)P提出，當(dāng)托卡馬克等離子體的環(huán)徑比減小到一定程度（環(huán)徑比 R/a = A 410反應(yīng)極快，兩次灌膠，未完全排除 3 西半球上三聯(lián) 710后 0應(yīng)慢，疑飄別處 4 東半球上三聯(lián)中 510后排除 5 南側(cè)對接處附近的本底 6 鈦泵抽管北角閥上 210后仍有，灌 膠后排除，擬換 7 鈦泵抽管中壓電閥整體 310響真空室壓力，調(diào)節(jié)閥芯壓緊，至最大改善，未根除。 8 壓波紋管上、電極 210110改善，灌膠后排除 9 璃 110加螺栓，待處理 10 方北下 510影響真空，緊后改善，灌膠再緊，未完全排除 11 電極 510后（緊時(shí)真空大動(dòng)，后恢復(fù)）灌膠后排除 檢漏操作過程中氣壓變化情況如表 3 表 3檢漏操作過程中的氣壓變化 時(shí)間 氣壓 (跳變?yōu)?(原因 9： 41 0 10： 40 0 11： 20 00鈦泵抽管南角閥 13： 00 00 方 13： 45 0 14： 00 0 00X 后方灌膠后兩分鐘 第 3 章 空抽氣和檢漏 - 31 - 16： 00 0 0100壓電閥角閥、調(diào)芯壓力 17： 25 00壓電閥角閥 /關(guān)閥停泵 18： 30 0漏、放氣 實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的漏孔 裝置裝已運(yùn)行了兩年多，在等離子體放電實(shí)驗(yàn)中振動(dòng)很大，這個(gè)過程中出現(xiàn)了一些新的漏孔 ,我們都隨時(shí)發(fā)現(xiàn)即進(jìn)行了檢漏和處理。其中尚有兩處漏孔無法根本性解決，必須等裝置拆封，暴露大氣之后才能處理。一處是軟 X 射線陣列后方矩形法蘭密封，它存在兩個(gè)問題。一是使用的氟橡膠墊圈是非標(biāo)準(zhǔn)的，其壓縮余量不夠，密封得不緊，有待更換；另外，其法蘭密封螺栓緊固結(jié)構(gòu)中的聚四氟乙烯絕緣墊圈會(huì)發(fā)生塑性形變，容易導(dǎo)致脫栓松動(dòng)。另 一處是東半球下方三聯(lián)法蘭的外側(cè) 蘭根部焊接有漏。噴膠大約 5 分鐘后，真空計(jì)指示有突然跳變增大，再緩慢變小，然后又跳變增大的周期性變化。分析這種現(xiàn)象的原因，可能是由于漏孔在真空室內(nèi)部焊縫上，并且不小，從外部噴的真空膠通過漏孔到達(dá)真空室內(nèi)時(shí)由于表面張力作用形成氣泡，氣泡逐漸增大突然破裂從而導(dǎo)致真空計(jì)指示的跳變，在真空膠完全凝固之前氣泡會(huì)一個(gè)接一個(gè)的形成，導(dǎo)致氣壓周期性變化。我們從外側(cè)用環(huán)氧真空膠在法蘭根部大面積均勻涂覆，暫時(shí)排除了漏孔，根本性的解決要等下一次拆卸裝置時(shí)在內(nèi)側(cè)焊縫處補(bǔ)焊。 第 4 章 送氣系統(tǒng) - 32 - 第 4 章 送氣系 統(tǒng) 氣系統(tǒng)介紹 在受控核聚變的托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置中，實(shí)驗(yàn)氣體（氫、氚或氦）要在環(huán)形真空室內(nèi)擊穿、電離、形成等離子體電流。實(shí)驗(yàn)的加料方式對于等離子體的特性有著重要的影響。托卡馬克加料方式有脈沖送氣 15、分子束注入和彈丸注入，其中脈沖送氣是最為簡單且廣泛使用的常規(guī)送氣方式。 氣系統(tǒng)的功能包括： 1. 本底送氣：為建立初始等離子體密度提供本底氣量； 2. 補(bǔ)充送氣：提供增加等離子體密度的氣量和控制等離子體成分； 3. 連續(xù)送氣：為輝光放電和壁現(xiàn)場沉積處理提供要求的氣體成分和氣量。 送氣的關(guān)鍵部 件是送氣閥，大型裝置一般采用快速脈沖電磁比例閥，如 只流率為 80Pam3應(yīng)時(shí)間為 10小裝置一般采用壓電晶體閥，如美國 ，俄羅斯 只流率為 10 Pam3應(yīng)時(shí)間為 2氣系統(tǒng)采用壓電晶體閥向真空室內(nèi)送氣，在放電前建立約 10右的氣壓。為了給 氣系統(tǒng)選擇合適的壓電閥，我們對國產(chǎn) 壓電閥和美國的 電閥進(jìn)行了送氣率和脈沖送氣特性的測試。實(shí)驗(yàn)表明二者都具有優(yōu)秀的脈沖響應(yīng)重復(fù)性，可滿 足 要求。盡管 測試的 在可靠性指標(biāo)上經(jīng)過了十?dāng)?shù)年的考驗(yàn)。 氣系統(tǒng)詳見圖 4中超純氫發(fā)生器后來由于生成的氫氣不夠純（含水），擬用超純氫氣瓶取代。 第 4 章 送氣系統(tǒng) - 33 - 真空室A P G 2G 3儲(chǔ)氣罐G 1 G 1 G 2G 2G 2G 1G 4V 1 V 1V 1V 2V 2V 2V 3 V 3 V 3V 4 V 4 V 4V 2 V 2 V 2G 1 電阻規(guī) V 1 真空隔斷閥G 2 氣壓表 V 2 真空角閥G 3 電離規(guī) V 3 真空調(diào)節(jié)閥G 4 電容規(guī) V 4 壓電閥A P C 自動(dòng)壓力控制器純氫發(fā)生器氣瓶儲(chǔ)氣罐 儲(chǔ)氣罐氣瓶送氣系統(tǒng)總示意圖 與 壓電閥脈沖特性測試 試驗(yàn)安排 本實(shí)驗(yàn)是在 空室組裝之前（ 2001 年）進(jìn)行的，我們使用 道由 1銹鋼制造，長840徑 200端為 蘭、分別用 150 的法蘭與 用兩只 法蘭連接測量系統(tǒng)與壓電閥。整個(gè)系統(tǒng)的體積約為 空室系統(tǒng)的 1/25 左右。試驗(yàn)中我們直接將大氣做氣源，當(dāng)換算到氫、氘的送氣量時(shí)，要考慮不同壓力范圍流導(dǎo)變化的效應(yīng)。 試驗(yàn)中使用一臺中科院科儀中心的 s 分子泵作為主泵。成都成華電子儀器廠的復(fù)合真空計(jì)監(jiān)視抽氣過程的氣壓變化。 第 4 章 送氣系統(tǒng) - 34 - 試驗(yàn)裝置簡圖如圖 4示： T M V 2G 3G 2G 1G 1V 1 V 1真空室V 2G 1 電阻規(guī) G 2 電容規(guī) G 3 電離規(guī) V 1 壓電閥V 2 真空角閥V 3 真空隔斷圖 4壓電閥測試實(shí)驗(yàn)裝置 壓電閥送氣過程中的氣壓變化由德國 容規(guī)測量。該規(guī)的量程為 10 110性的電壓響應(yīng)從 1 到 規(guī)管的溫度效應(yīng)為滿量程的 ，響應(yīng)時(shí)間常數(shù)為 30間常數(shù)稍長，不能準(zhǔn)確反映真空室的氣壓變化過程。但對于測量靜態(tài)送氣量及判斷動(dòng)態(tài)送氣的重復(fù)性是可靠的。 自制的脈沖壓電閥電源，電壓在 0 到 200V，脈沖寬度在 0 到 100間調(diào)節(jié)。電 源接 電閥后，閥電壓上升沿采集如圖 4壓從 0V（標(biāo)尺線D）上升到平頂值 134V（標(biāo)尺線 U），所用的時(shí)間為標(biāo)尺線 A 與 B 的差值 260 s。圖中顯示 指閥電壓經(jīng) 100:1 分壓之后的讀數(shù)。 第 4 章 送氣系統(tǒng) - 35 - 圖 4升沿 電源接 壓電閥后，閥電壓上升沿采集如圖 4壓從 0V（標(biāo)尺線 D）上升到平頂值 78V（標(biāo)尺線 U，分壓后讀數(shù)為 780所用的時(shí)間為標(biāo)尺線 的差值 420 s。 圖 4壓電閥電壓 上升沿 試驗(yàn)中，驅(qū)動(dòng)壓電閥的電壓脈沖和電容規(guī)的電壓響應(yīng)用北京市迪陽科技發(fā)展公司的 擬示波器采集并在 上顯示。 對比用的 電閥原為 卡馬克裝置上使用的送氣閥，已使用了十年以上。我們的試驗(yàn)僅為 置壓電閥選型，如果純粹為了做產(chǎn)品第 4 章 送氣系統(tǒng) - 36 - 對比應(yīng)該設(shè)法找到一只新 電閥。 試驗(yàn)的參數(shù)范圍 在放電時(shí)，壓電閥以大氣量送氣?？刂茊?dòng)電壓的脈沖寬度以得到合適的送氣量，調(diào)節(jié)氣量的標(biāo)記參數(shù)是放電時(shí)刻（動(dòng)態(tài)過程的最大氣壓）的真空室氣壓值。 我們希 望試驗(yàn)的參數(shù)選取盡量模擬實(shí)際放電的情況。 置真空室體積約 上管道空間，按 1算。不考慮送氣過程中的渦論分子泵的抽氣效應(yīng)，建立起約 10壓所需氣量為 10慮到分子泵抽氣效應(yīng)及真空室體積因素，以及電容規(guī)響應(yīng)電壓測量精度幾種因素，我們將送氣后的最高電容規(guī)響應(yīng)電壓控制在 應(yīng)的氣壓值為 上。 我們同時(shí)利用試驗(yàn)真空室對壓電閥脈沖送氣的靜態(tài)氣壓響應(yīng)，測量了在試驗(yàn)參數(shù)范圍的壓電閥送氣量的試驗(yàn)。 該壓電閥出廠時(shí)并 沒有給出送氣量的指標(biāo)。壓電閥的送氣量是由固定在壓電陶瓷片上的密封墊片與出氣管口之間的距離確定的，由于密封的要求和壓電陶瓷片在電壓作用下的移動(dòng)尺度的限制，這一距離是很小的，同時(shí)出氣口的孔徑也很小。這使得壓電閥的送氣量一般很小， 2m3/s 較為普遍。 在進(jìn)行這項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)，由于我們在分子泵和真空室之間未裝閥門，所以僅用機(jī)械泵將系統(tǒng)維持在 2下的氣壓，充氣時(shí)關(guān)閉前級閥門。 我們試驗(yàn)了兩種壓電閥驅(qū)動(dòng)電壓，分別是 壓后讀數(shù)為 752、888脈寬 容規(guī)的電壓響應(yīng)分 別為 底 折算氣壓為 P = (V) 別見圖 4 b）。 第 4 章 送氣系統(tǒng) - 37 - (a) (b) 圖 4電閥的靜態(tài)脈沖響應(yīng)波形 兩種驅(qū)動(dòng)電壓下 Q=PV/m3/s，應(yīng)當(dāng)算是大送氣量的壓電閥。如果繼續(xù)加大壓電閥驅(qū)動(dòng)電壓、調(diào)節(jié)壓電閥內(nèi)的密封壓緊螺釘 ,還應(yīng)當(dāng)可以將送氣量提高不少。但由于 這個(gè)數(shù)據(jù)已充分滿足送氣要求，同時(shí) 電閥推薦使用最高電壓為 100V，我們沒有進(jìn)一步做最大送氣量的試驗(yàn)。試驗(yàn)中的讀數(shù)重復(fù)性極好，所有誤差均由測量和采第 4 章 送氣系統(tǒng) - 38 - 集系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差決定。在托卡馬克的放電過程中，影響對送氣量需要的因素太多，我們追求的是送氣量的穩(wěn)定（送氣量及響應(yīng)速度），并不很在乎壓電閥對驅(qū)動(dòng)電壓的絕對響應(yīng)（包括幅值及動(dòng)態(tài)過程）。所以在整個(gè)試驗(yàn)中，沒有考慮測量、采集系統(tǒng)的標(biāo)定和絕對精度問題。 在對 電閥的一般性能調(diào)試中，看到該閥在 40V 以下的驅(qū)動(dòng)電 壓作用下即可平滑開啟，開啟后氣壓即隨驅(qū)動(dòng)電壓的升高而升高?？赡芤?yàn)榻?jīng)過了長期使用，對照的 電閥要在高得多的電壓和脈沖寬度下才能開啟，最初開啟時(shí)即有很大的送氣量，以后的開啟情況轉(zhuǎn)為正常。兩種閥的脈沖響應(yīng)特性如圖 4中橫坐標(biāo)表示時(shí)間，刻度為 32ms/容規(guī)響應(yīng)的刻度為 1V/ (a) 第 4 章 送氣系統(tǒng) - 39 - (b) 圖 4a）和 b）壓電閥的脈沖響應(yīng)特性 表 4出了兩種壓電閥的六組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中 四組是 電閥，試驗(yàn)號碼以 T 打頭；另兩組以 V 開頭的是 電閥的數(shù)據(jù)。在這一試驗(yàn)氣量范圍的六組數(shù)據(jù)，無論是電容規(guī)的最高響應(yīng)值還是響應(yīng)的時(shí)間過程，都有著極好的重復(fù)性。 表 4脈沖送氣試驗(yàn)數(shù)據(jù) 試驗(yàn)號 驅(qū)動(dòng)電壓 沖寬度 響應(yīng)電壓 高氣壓 01821010182107018210100 01821010182106為電容規(guī)的時(shí)間常數(shù)為 30們沒有具體的試驗(yàn)過其時(shí)間響應(yīng)特性，所以無法具體評價(jià)電容規(guī)輸出電壓曲線的意義。但我們?nèi)阅艿玫絻牲c(diǎn)結(jié)論：一是在我們的試驗(yàn)系統(tǒng)中，從 電閥打開到真空室內(nèi)壓力開始上升的時(shí)間不長第 4 章 送氣系統(tǒng) - 40 - 于電容規(guī)響應(yīng)電壓曲線中的 20壓到最大值的時(shí)間不長于 100是與試驗(yàn)用的 電閥對比， 電閥在開啟后較快達(dá)到正常氣量送氣，反映到曲線上，就是有更快的氣壓開始上升時(shí)間。 在 電閥脈沖試驗(yàn)中，有兩組數(shù)據(jù)的最大氣壓響應(yīng)值上有點(diǎn)差異。對應(yīng)的示波圖讀數(shù)游標(biāo)的最小移動(dòng)尺度分別是 40 和 60應(yīng)的氣壓值分別為 而曲線本身的線寬大于上述數(shù)值，所以這一差值包括了較大的讀數(shù)誤差。包括上面提到的因素，最大氣壓值的誤差均在 4%之內(nèi)。 測試結(jié)論 電閥的電壓上升時(shí)間在 ，電壓的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)小于 寬 電壓脈沖驅(qū)動(dòng)下， 電閥的送氣量分為： m3/s（氣源為大氣）。以上參數(shù)雖會(huì)有明顯的個(gè)體差異，但仍將優(yōu)于對比用的 電閥，更能滿足 置等離子體實(shí)驗(yàn)的送氣要求。 兩種壓電閥均有十分優(yōu)秀的脈沖響應(yīng)重復(fù)性，沒有可分辨的差別，均可滿足要求。 經(jīng)過長期的的使用， 送氣率方面已不能和 盡管如此，該閥的脈沖送氣量的重復(fù)性仍然很好；首次開閥有一定的困難，但尚未影響到密封性能，這 也是難能可貴的。我們試驗(yàn)用的 它的耐用性還需考察。 上述測試實(shí)驗(yàn)是在 2001 年進(jìn)行的。在 2003 年的真空運(yùn)行中發(fā)現(xiàn) 電閥出現(xiàn)了漏氣現(xiàn)象，原因是壓電陶瓷已老化，需要更換。相比而言， 的在使用壽命和穩(wěn)定性方面有明顯優(yōu)勢。 壓電閥脈沖電源 上面試驗(yàn)所用到的壓電閥脈沖電源是我們自行設(shè)計(jì)制作的，確定使用 壓電閥之后，我們把壓電閥電壓變動(dòng)范圍確定在 30V100V 之間，并對電源作了調(diào)整。我們先制作了 30V100V 可調(diào)壓電閥電源，然后用固體繼電器 控制電源的第 4 章 送氣系統(tǒng) - 41 - 通斷來形成脈沖式的供電。固體繼電器導(dǎo)通時(shí)間長短是由 74片來控制的。兩種電源做在同一個(gè)機(jī)箱里 ,共用一個(gè)面板。電源和面板圖如下。 圖 430調(diào)壓電閥電源線路圖 計(jì)算機(jī)觸發(fā)手動(dòng)觸發(fā)負(fù)載R 2100 脈沖式壓電閥電源線路圖 第 4 章 送氣系統(tǒng) - 42 - 圖 4壓電閥電源機(jī)箱前面板第 5 章 真空烘烤 - 43 - 第 5 章 真空烘烤 在磁約束受控核聚變研究中，雜質(zhì)對等離子體的品質(zhì)和行為有著極其重要 的影響，為此要對裝置真空室進(jìn)行盡量完善的真空處理。烘烤是處理超高真空系統(tǒng)的一項(xiàng)最基本的措施，也是控制放電時(shí)等離子體中的輕雜質(zhì)含量、減輕氫再循環(huán)的得力手段之一。 不銹鋼材料在熔煉和鑄造過程中，空氣中的氫、氧、氮和碳的氧化物不同程度地溶于其中。真空室暴露大氣存放時(shí)，表面還會(huì)吸附大量氣體。另外，不銹鋼材料本身還有一定量的滲透。這些因素構(gòu)成了真空中的主要?dú)庠?。用真空泵抽氣時(shí)，首先抽走的是容積中的大氣，這部分氣體可以很快抽走。然后是材料表面解吸的氣體、材料內(nèi)部向表面擴(kuò)散出來的氣體以及大氣通過真空室壁滲透到真空中的氣體 。解吸及擴(kuò)散到表面再解吸氣體的衰減速率非常緩慢。一臺金屬密封的不烘烤的真空系統(tǒng)，要達(dá)到超高真空（低于 10平衡的放氣水平，需要大約 108 小時(shí) 14。如果利用烘烤手段加速真空室壁中氣體的擴(kuò)散和壁上氣體的解析，可以在短時(shí)間內(nèi)使真空室壁的出氣量衰減到平衡水平。 件烘烤方案 烘烤是一項(xiàng)需要經(jīng)常進(jìn)行、也經(jīng)常與其它清洗手段同時(shí)使用而且進(jìn)行時(shí)間很長的常用真空室處理手段，因此烘烤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一定要注意運(yùn)行的可靠性和可運(yùn)行性，這對于人員投入很少的小裝置尤其重要。于是我們設(shè)計(jì)用正溫度系數(shù)電阻（ 作為加熱元件。 件電阻 為居里點(diǎn)（ 20。在溫度達(dá)到居里點(diǎn) 后，其阻值急劇增加，電阻率溫度系數(shù)可達(dá) （ 1560） %/ 以上 17。利用 這一特性可以實(shí)現(xiàn)對真空室的恒溫加熱自動(dòng)控制。 件貼片固定在真空室外壁上，它自回路中得到電功率（ 發(fā)熱，并把熱量傳導(dǎo)給與它相接觸的真空室（假設(shè)傳熱功率為 件在常溫下電阻很小，剛開始通電時(shí) 件很快升溫。溫度達(dá)到居里點(diǎn)的溫度 后，由于 件電阻值急劇增加 ， 急劇下降，使第 5 章 真空烘烤 - 44 - 持在 當(dāng)溫度為 件熱源對真空室供熱時(shí)，有 式中 件到真空室表面的熱導(dǎo)系數(shù)，包括了 安裝結(jié)構(gòu)間的接觸熱導(dǎo)、安裝結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)、安裝結(jié)構(gòu)與真空室間的接觸熱導(dǎo)； 真空室表面（與安裝結(jié)構(gòu)接觸部分）的溫度。 這樣的烘烤系統(tǒng)的自然最終平衡烘烤溫度（ 決于系統(tǒng)的漏熱（ 當(dāng)它與 當(dāng)時(shí)的溫度即為 統(tǒng)的漏熱功率 它是通過漏熱熱導(dǎo)系數(shù)漏放到室溫體系中去的熱量。這是一個(gè)極復(fù)雜的綜合量，包括了種種傳到室溫表面的過程（如經(jīng)過保溫層、法蘭連接管道等等）及室溫表面的散熱過程（如對流、輻射）。 烘烤實(shí)驗(yàn)裝置 出于對真空室熱應(yīng)力和相關(guān)材料的考慮， 烘烤溫度要求不高于150 ，我們選擇的 件的居里點(diǎn)也大約是 160 。 為了給 件提供選擇合適的工作電壓，我們測量了其電壓 描點(diǎn)法表示如圖 5電之后，當(dāng)電壓較低時(shí)，由功耗引起的溫升很慢，工作在 ；調(diào) 高電壓，增大功率，當(dāng)溫度達(dá)到居里點(diǎn)后，由于正溫度系數(shù)的調(diào)節(jié)效應(yīng)，進(jìn)入等功率段（ 增加電壓對功率的影響不大。我們使用 作點(diǎn)是在 ，可見 件功率大約在 1020W 之間。 第 5 章 真空烘烤 - 45 - 圖 5電壓 為了在真空室表面進(jìn)行均勻的加熱，我們用了 96 個(gè) 阻貼片，均勻地分布在真空室表面。由于真空室開有很多法蘭窗口，表面空間有限，而且真空室是球形的，因此，貼片的面積不能太大。我們使用的貼片，直徑約 2度約 4們原先構(gòu)想用螺栓和壓板來把 片固定在真空室上，如圖 5 圖 5片安裝構(gòu)想 但是當(dāng)裝置建立，外圍的線圈都安裝好之后發(fā)現(xiàn)剩余操作空間有限，要在真第 5 章 真空烘烤 - 46 - 空室壁上完成這種操作比較麻煩。于是把 片安裝方法改為用導(dǎo)熱導(dǎo)電膠粘貼法， 如圖 5裝： 片b 銅片電極 c 高溫焊錫d 高溫導(dǎo)線e 導(dǎo)熱導(dǎo)電膠f 真空室壁圖 5片實(shí)際安裝方案 阻貼片的兩個(gè)面就是電阻的兩極，把其中一面貼在真空室壁上，以真空室為一個(gè)極，真空室導(dǎo)電的同時(shí)得到烘烤。為了保證加熱貼片與真空室壁良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電，貼片和真空室壁要 用導(dǎo)熱導(dǎo)電膠來粘連。為確保供電導(dǎo)線與另一極的歐姆連接，我們把導(dǎo)電性能較好的 3的銅片剪成和 片一樣大小的圓片狀，用導(dǎo)熱導(dǎo)電膠粘貼在 片的另一極上，然后配制高溫焊錫把高溫導(dǎo)線焊接在銅片上。 由于粘貼銅片和焊接高溫導(dǎo)線操作起來比較麻煩，不能先把 片都粘連到真空室壁上之后才進(jìn)行，因此，必須預(yù)先粘貼銅片和焊接高溫導(dǎo)線。另外，由于要給真空室壁上的 96 個(gè) 片供電，而烘烤時(shí)真空室外面還要包上厚厚的保溫層，因此電線的布置要格外整潔。所有 片都是并聯(lián)供電的，為了避免冗余的走線和導(dǎo)線結(jié)頭，我 們把 96 個(gè) 片平均分成了 16 組，每組 6個(gè)貼片如圖 5接。 第 5 章 真空烘烤 - 47 - 圖 5每組 6 個(gè)貼片的連接 這樣連接避免了在保溫層以內(nèi)進(jìn)行高溫導(dǎo)線的結(jié)頭，從保溫層引出的導(dǎo)線也很少，所用高溫導(dǎo)線長度也最節(jié)省。 導(dǎo)熱導(dǎo)電膠價(jià)格較貴，而且每次配制必須盡快使用，否則很快就凝干了，造成浪費(fèi)。我們事先要把同一組的 6 個(gè) 片按其要布置的位置的間距來用相應(yīng)長度的高溫導(dǎo)線焊接，準(zhǔn)備好了要安裝的各組貼片之后才配置導(dǎo)熱導(dǎo)電膠，以最快的速度把各組貼片粘貼到位。 16 組 片都安裝完之后，就要在真空室壁外面包上厚厚的保溫層。在目前的市場條件下，保溫部件的有關(guān)材料的選取有相當(dāng)大余地。 150 以下的烘烤溫度使它在使用溫度方面幾乎沒有限制。我們希望在采用常用保溫材料和結(jié)構(gòu)條件下得到盡量好的保溫性能，但不準(zhǔn)備為了節(jié)約幾百瓦的漏熱就動(dòng)用高新材料。原計(jì)劃保溫部件主要分為兩層：靠近真空室的一面為高溫絕熱材料和涂鋁防輻射復(fù)合膜，外面是普通保溫隔熱材料。但后來在實(shí)際安裝的時(shí)候，由于購買材料的困難，省去了高溫絕熱材料和涂鋁防輻射復(fù)合膜，只使用了普通保溫隔熱材料：內(nèi)層用帆布，外層用保溫棉被。 由于真空室上的法蘭窗口很多，保溫層需要量身定做，有法蘭的地方要剪開一個(gè)十字型的口子好讓法蘭露出來。真空室外面縱橫的磁場線圈已經(jīng)把真空室包圍起來，要想給真空室加上保溫層，必須分塊來進(jìn)行，不能整體包裹。把真空室球面像剝桔子一樣分成 12 瓣，為每一瓣定做一塊帆布和一塊保溫棉被。我們測量好尺寸之后，請裁縫完成了這項(xiàng)工作。 烘烤電源 96 個(gè) 片都是并聯(lián)，額定電壓是 110V。我們用三相四線制交流電變壓之后對其供電。三相交流電的線電壓是 220V，把其中兩路線電壓用變壓器變?yōu)榈?5 章 真空烘烤 - 48 - 110 V 后各負(fù)載 8 組 片。 而第三路線電壓則用來為總閘接觸器的線包供電，并且為安裝在真空室內(nèi)的預(yù)電離燈絲供電。預(yù)電離燈絲是一根電阻為 8 的鎢絲，它的兩極通過密封法蘭導(dǎo)出真空室外，在真空環(huán)境下通電可以照亮真空室內(nèi)部，并對真空室內(nèi)工作氣體進(jìn)行預(yù)電離。為了實(shí)驗(yàn)方便，把 預(yù)電離燈絲的電源和烘烤電源設(shè)計(jì)在一起了。預(yù)電離燈絲需要直流電，除了需要變壓之外還要整流。整個(gè)電源線路如下圖 5 西半球東半球預(yù)電離燈絲線包中性線三相交流電保險(xiǎn)管關(guān)閉啟動(dòng)固體繼電