HL-2A中性束注入器送气实验(2)

2、气压控制原理

　　在真空抽气系统中，当气体流量稳定时，系统抽速满足

S = Q/P(1)

　　其中S是真空系统的抽速，Q是气体流量，P是气压。在离子源放电期间需要保持离子源内气压恒定，为了得到稳定的气压就要控制Q 和S，而抽速S 取决于真空泵的抽气能力，这样就只能控制好流量Q，才有可能获得恒定的气压。气体流量由下式决定：

S=C（P₁-P₂） (2)

　　其中C为送气阀的流导，P1为气罐的气压，P2为真空室内气压。本实验中P1为1.7个大气压，P2为1Pa以下，两者相差5 个数量级，所以P2可以忽略。并且在实验中，送气前后气源气压的变化不到3‰，故可以认为气罐气压恒定。这样，影响流量的就只有压电阀的流导C 了，流导C 取决于送气阀的控制电压。

3、实验结果

3.1、压电阀脉冲电压与离子源气压的关系

　　根据气压控制原理，通过控制压电阀的工作电压可以控制气阀的流导，从而控制离子源放电室的工作气压。首先将压电阀控制电压设置成方波，脉冲宽度2.5s，脉冲幅度2V（对应压电阀工作电压50V），对其中一个离子源单独送气。图3就是开启电压为方波时，离子源内气压与流量和电压的关系。

　　从图中观察到压电阀电压开启之后200ms流量才开始变化，在多次实验之后发现这一延迟从30~250ms 不等，并且是随着开启电压的增大而缩短，这就是压电阀真正的开启时间，远超过2ms。不过其关断时间则要短的多，只有10ms左右；并且还观察到气压与流量的变化之间也有几十毫秒的延迟，这是由于压电阀与离子源之间还有一段气管和一个针阀，气体在流经这一段气路后才能进入离子源，并且气体分子还要扩散到薄膜规才能引起气压的变化；最后，放电室内气压的变化为：

　　V是真空室的体积，S是真空室内的抽速，Q是总的气量，包括送入的气体、器壁放出的气体。这与图3 中气压的变化基本相符。

图3 输出电压为方波时离子源内气压随时间的变化

　　束线上的4个离子源送气回路，在气路长度以及真空室抽速存在一定的差异，而且压电阀的物理参数离散性较大，对于同样的控制电压，不同阀的流导是不同的，需要针对不同的离子源送气回路进行单独标定。图4 中给出了独立开启每个离子源的压电阀时，离子源气压与压电阀控制电压之间的关系。

　　图4 单独开启不同压电阀时4 个离子源气压与压电阀控制电压的关系

　　从图中可以看出，每个压电阀的工作电压都不相同，开启电压最低的在20V左右，最高的则在42.5V附近，两者相差一倍。还可以看出，压电阀控制电压与离子源气压之间接近线形关系，这一点则有利于气压的控制。