EAST高频弹丸注入装置真空系统设计
EAST 高频弹丸注入装置主要用于完成EAST 托卡马克装置的加料和边界局域模(ELM) 实验研究。注入器主体部分已经完成构建，为了使系统安全连接到EAST 装置，需要设计一套对应的真空系统。高频弹丸注入装置真空系统采用了全新的设计，在注入器主体上连接三个缓冲室，将推进气体及时抽走，降低成冰室压强以此提高成冰质量。注入器与EAST 装置通过两级差分系统连接，进一步降低装置压强至5×10-4 Pa量级，完成与EAST 的安全连接不影响正常放电。
EAST 是世界上第一个全超导非圆截面托卡马克装置。自2006 年首次成功放电以来，实验参数得到不断提高。在等离子体高约束运行模式(H-mode)下爆发的边界局域模(ELM)会对装置第一壁造成极大的热冲击，降低第一壁材料使用寿命。如何应对这种现象已经成为聚变界一个棘手的问题。最新的研究表明，高频弹丸注入技术是一种行之有效的控制ELM 的手段。参考低频弹丸注入装置的设计，构建了一套全新的高频弹丸注入装置。新系统的氢/氘弹丸最高注入频率可达50 Hz，为了满足新系统对真空度的要求，需要设计一套真空系统。
1、概述
低频弹丸注入装置于2012 年首次投入EAST实验，能以最高10 Hz 的工作频率发射氢/氘弹丸为EAST 装置加料。为了保证在运行过程中，推进气体(氦气)不会大量进入EAST 主真空室中，低频弹丸注入装置采用了两级差分的真空系统设计，其结构如图1 所示。第一级差分室体积17 L连接一体积355 L 膨胀室，用抽速470 L/s 的罗兹泵机组抽气；第二级差分室体积17 L 直接连接FF-200 复合分子泵机组抽气。在运行过程中，能保证第二级差分真空度维持在10-4 Pa 左右，在这样的真空环境下，推进气体对EAST 主真空的影响可忽略。但是低频弹丸系统在长时间连续工作的情况下，第二级差分室真空度会慢慢变差，需要暂停运行一段时间，等真空度恢复到正常水平，才能继续工作。因为大量推进气体会在第一级差分处积累，不能被及时抽走。
图1 低频弹丸注入装置三维示意图
高频弹丸注入装置与低频系统基本原理相似，也是利用液氦降温冷凝氢/ 氘气体，通过机械挤压、切割的方式制成弹丸，最终用高压氦气加速弹丸通过细长管道打入到EAST 主真空室内。高频弹丸为一直径1.5 mm，长度1.2 至1.8 mm 可调的圆柱体，其发射速度根据设定的推进气体压强不同，在150 至250 m/s 之间变化。除此之外，高频系统的最大工作频率高达50 Hz，发射每发弹丸大概需要消耗20-30 mbar·L 的氦气，这样大量的氦气不及时抽走，会影响到EAST 装置的正常放电。为了消除氦气的影响，并克服低频系统存在的问题，借鉴低频弹丸系统的两级差分结构，并在此基础上做了一些改进，设计了这套高频弹丸注入装置真空系统。
高频弹丸注入装置真空系统主要由缓冲室，两级差分室，真空泵组，以及真空测量部件和连接管道等组成。为了确保推进气体不会进入EAST 主真空室，需要限定了两级差分室的真空度，即连接EAST 主真空室的条件，详见表1。采用两级差分室的结构设计，能够最大限度的减少进入EAST 主真空室的气量。真空各部件安装在支架上，中心与注入器注入管路保持同一水平高度，其结构示意如图2 所示。新的真空系统将缓冲室移至注入器主体下部，在弹丸成型加速阶段起到扩散和抽走多余氦气的作用。新的缓冲室设计不但减小了后部两级差分室的工作负载，还大大提高了弹丸成冰的质量和可靠性。
表1 两级差分室的工作真空度要求
图2 高频弹丸注入装置三维示意图
2、真空差分系统设计
2.1、缓冲室设计
全新的弹丸注入器包括两套独立的注入系统，每套系统能够以25 Hz 的频率独立工作发射弹丸。高频的特性对系统的可靠性提出了要求，为了提高弹丸的成型质量和可靠性，在弹丸成型和加速系统上连接一个缓冲室。缓冲室与弹丸成型和加速系统的连接简图，如图3 所示。图2 中的真空室1、真空室2 和真空室3 首尾相连，共同组成了缓冲室，见图4，而真空室4 则代表了真空系统后部的诊断室、和两级差分室。弹丸加速期间，推进气体扩散到缓冲室的三个真空室内，被真空泵组抽走，减少挤压成冰室内的推进气体量，从而提高成冰质量。
图3 弹丸成型和加速系统简图
一套弹丸加速和成型系统已经制造完成，并做了一些基本的台面测试，得到了一些初步的测试数据，其中每发弹丸造成的气体载荷分布见表2。由于弹丸注入器正常工作时气载很大，尤其是缓冲室中的真空室2，因此选用大抽速470 L/s的罗兹泵机组(WAU2001/SV630B)来作为真空室2 的泵组， 选用抽速203 L/s 的罗兹泵机组(WAU1001/SV300B)作为真空室1 的泵组。真空室3 连接挤压成冰室，主要用于抽除废冰和废气，选用的是抽速16.6 L/s 的无油涡旋真空泵(GWSP10000)。
图4 缓冲室结构简图
由于初步测试时只采用了一套弹丸加速和成型系统，并且初期测试所用的泵组与后续两套一并安装时所用泵组并不一致，需要对缓冲室的体积结构等重新进行设计，充分考虑两套系统同时以最大载荷工作的情况。为了能够最大限度的发挥真空泵机组的性能，保证将推进气体尽量地排出，设计初均假设罗兹泵机组工作在最大抽速，也就是假定工作压强为百帕量级，初步假设为500 Pa。考虑了气载、压强、连接管道等因素后，选定三个真空室体积均为21.43 L。真空室1用内径100 mm，长度3.3 m 的管道连接罗兹泵机组；真空室2 用内径150 mm，长度3.3 m 的管道连接罗兹泵机组；真空室3 用普通KF40 接头(内径约为35 mm)，长1 m 波纹管连接。
表2 单发弹丸推进气体载荷分布
根据前面的假设，管道中的平均压强，三个真空室的P D 值均大于0.67 Pa·m，管道中的流态为粘滞流。根据气流状态，选择流导公式(1)进行计算：
代入数据，真空室1 管道流导为20303 L/s，真空室2 管道流导为102784 L/s， 真空室3 管道流导为1005 L/s。再根据有效抽速公式(2)，计算各真空泵的有效抽速：
代入得，真空室1 罗兹泵机组有效抽速201 L/s，真空室2 罗兹泵机组有效抽速467 L/s，真空室3无油涡旋真空泵有效抽速为11.5 L/s。由上面计算得到的有效抽速，并根据公式(3)计算抽气平衡时，真空室内的压强：
而气体载荷又根据单发弹丸的气载(取最大值)乘上频率，也就是最大频率50 Hz，可得真空室1 的气载为3×104 Pa·L/s，真空室2 的气载为7.5×104 Pa·L/s，真空室3 的气载为1×104 Pa·L/s。将各数据代入，得真空室1 的实际稳态工作压强为150 Pa，真空室2 的实际稳态工作压强为161 Pa，真空室3 的实际稳态工作压强是869 Pa。查看个泵组的工作压强- 抽速曲线，均能达到最大抽速，而因为管道连接部件的流导非常大，所以实际的工作压强对上述的计算过程影响非常小，可以直接认为计算结果与初期的假设是吻合的。所以说缓冲室的设计在理论上是可行的，可以满足设计要求，降低了推进气体进入挤压成冰室的可能，提高了成冰质量。
2.2、两级差分室设计
为了进一步的降低系统的压强， 达到与EAST 主真空连接的条件，需要采用两级差分真空室的结构。两级差分室的主要作用是进一步的抽除多余的推进气体氦气，使第二级差分室的压强稳定在10-4 量级或以下，保证高频弹丸注入系统在正常运行过程中能够正常与EAST 主真空连接，而不影响EAST 装置的正常放电。
两级差分室在结构上相似，两个真空室的体积都是约17 L，均采用机械泵前级搭配Turbo-V1001 分子泵抽气，对氦气的抽速在870 L/s 左右。第一级差分室：
前面表二中气体载荷分布数据，是在缓冲室均连接机械泵的情况下得到的，而我们重新搭建的系统采用的是大抽速的罗兹泵机组，除此之外，我们还会将诊断室的一个法兰连接到缓冲室二号罗兹泵机组上。在这样的情况下，前面提到的单发弹丸进入到图3 中真空室4 的气体载荷应该会大大减小。单发弹丸引入的推进气体按照30 mbar·L 来记，经过模拟计算，其中29 mbar·L的气体都会被前端的两套罗兹泵机组和干泵抽走，进入到第一级差分室的气量大约为1 mbar·L。分子泵直接连接在差分室下部，流导很大，
对泵的抽速影响很小。我们可以认为泵的额定抽速即为有效抽速870 L/s，按照50 Hz 最大频率计算，气体载荷为5×103 Pa·L/s，再代入式(3)，计算可得此时的压强大概为5.74 Pa。分子泵在Pa量级抽速有所下降，我们重新计算，取抽速为600 L/s，再次代入式(3)，得到压强为8.33 Pa。第二级差分室：
推进气体在进入第二级差分室之前，需要经过一段内径6 mm，长度2 m 的细长管道。根据平均压强公式，细管内的平均压强约为4 Pa，PD≈0.24 Pa·m，介于6.65×10-3 Pa·m 和0.67 Pa·m之间，处于粘滞- 分子流。根据粘滞- 分子流流导公式(4)：
查相关表格知J 约为3.08，代入式(4)得管道流导为4.02×10-2 L/s，最大气体流量为Q=U×8=3.21×10-1 Pa.L/s。在根据公式(3)，得第二级差分室的压强不会大于3.69×10-4 Pa，小于表2中对第二级差分真空的工作状态要求。基本可以忽略高频弹丸系统推进气体对EAST 装置的影响。
2.3、真空测量系统
为了能实时地监测各部分真空状况，保证系统的各部件能够正常运作，在缓冲室以及两级差分室上都安装有测量用规管。缓冲室正常工作时的压强较高，大致在百帕量级；而两级差分室的工作压强较低，主要是第二级差分室正常运行时的压强要求保持在10-4 Pa 以下。
除了弹丸注入本身的真空测量点外，真空系统上一共有5 个测量点。在缓冲室的三个真空室上分别安装三个TRP 280 规管，在两级差分室上安装两个PKR 251 规管。系统运行期间，通过读取规管示数来确保各系统都处于正常工作范围，出现异常时及时采取措施，避免系统损坏。
真空度的读取和记录是通过规管连接到真空计和PLC 实现的。真空计主要是在现场测试时起实时监控读数的作用；而PLC 则是远程控制和记录真空数据变化，方便后期查看真空度的历史曲线，查看系统运行的可靠性。系统上各插板阀和真空泵组均能通过PLC 的方式远程控制，进行开关操作，在遇到故障时能及时进行远程处理。
3、总结
上述计算结果表明，前端缓冲室确实能及时地抽走氦气，并使各泵组工作在最佳状态下，降低了氦气进入挤压成冰室的可能性，提高了成冰质量；且两级差分真空也进一步地降低系统真空度，起到安全连接EAST 主真空的作用。高频弹丸注入装置真空系统的理论设计已经满足了最初的设计要求，现已进入生产制造阶段，系统最快将于2015 年10 月左右投入使用。未来高频弹丸注入装置搭建完成之后，首先会进行系统检漏和性能测试，在各个频率下测试发射弹丸可靠性，测试真空系统是否能按照设计的要求正常工作，并给出一些初步的实验结果。
