低温数据采集在中性束注入中的设计与应用

    1 引 言

    中性粒子束注入器(NBI)是涉及超高真空、低温、精密机械制造、高功率电源工程、高功率诊断、测量和控制等领域的一项综合复杂的前沿技术,是磁约束受控热核聚变等离子体芯部加热和非感应电流驱动基本而有效的手段[1]。中性粒子束注入器工作时,离子源产生的大量粒子经过加速栅加速后在主真空室得到中性化。当漂移管道内达到10^-6Pa以上的高真空时才能把真空室内中性粒子束流顺利引出,并将束流注入到Tokamak内部加热等离子体以达到满足聚变的温度。其结构如图1所示。达到高真空的有效方法就是采用低温冷凝泵,相对其他大容量的排气系统,具有几何尺寸小,理论抽速大的优势,可以使除氦气以外的气体冷凝成固态,从而达到抽除气体和净化空间的目的。装置中使用低温泵控制漂移管道内的高真空从而避免向等离子体内注入束流时引起真空变化或者引入杂质粒子。由于温度测量和的控制的能力将直接影响装置内的真空度,所以建立一个温度采集系统测量和监控温度变化是必要的。本文设计了一套中性束注入器低温采集系统并加以应用。该系统主要包括液氮温区(77K)和液氦温区(4.2K)温度的测量、采集及系统控制软件的设计与实现,此外还涉及了多点远距离数据采集、数据分析、面向对象编程等技术。

    2 装置介绍

    由低温冷凝泵[2]构成的低温系统是获得高真空必不可少的手段。低温冷凝泵(以下简称低温泵)启动之前必须对真空室进行真空预抽。预抽阶段由机械泵预抽和涡轮分子泵预抽两个阶段。当真空度达到110×10-4Pa量级时,可以开启低温泵。首先向低温泵的氮路中充注液氮,此时系统温度逐渐下降。其次等到整个液氮部分的温度降至77 K时,为减少液氦损耗,在完成液氮充注后等待一段时间,尽可能利用热辐射来降低整个液氦系统的温度,再向氦路中充注液氦。最后用高纯度的氦气对液氦系统进行吹扫以纯化氦系统,随后开始注入液氦。在整个输液过程中,必须实时采集并监控实验系统各温度测量点的温度变化并作记录,以便为实验人员提供实时判断和实验结果分析。温度传感器在低温冷凝泵的分布如图2所示。

    3 硬件设计

    为了在上述图2所示的低温泵降温过程中确保温度测量的可靠性和精确度,测量系统中对内外部液氮挡板温度和液氦冷屏温度的测量采用不同的A/D采集和数据处理方法。这样可以根据液氮和液氦温度的差别采用不同的硬件以满足实验要求和降低成本。

    3. 1 氮路温度采集