本文介紹了在核聚變裝置中廣泛應(yīng)用的壓電晶體閥的工作原理，并通過(guò)搭建試驗(yàn)平臺(tái)模擬我國(guó)第一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克核聚變裝置EAST試驗(yàn)時(shí)的真空環(huán)境，來(lái)準(zhǔn)確計(jì)算試驗(yàn)條件下的壓電晶體閥的氣體流量率，從而為核聚變?cè)囼?yàn)及等離子體的仿真計(jì)算提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

　　聚變能源是一種消耗燃料少,資源豐富的無(wú)污染的清潔能源。在聚變裝置托卡馬克中產(chǎn)生聚變能的是高溫等離子體，在反應(yīng)中消耗的等離子體要及時(shí)得到補(bǔ)充才能維持核聚變反應(yīng)對(duì)等離子體密度的要求，從而試驗(yàn)長(zhǎng)脈沖放電。目前在世界各國(guó)的磁約束核聚變裝置上均采用了直接注氣法（direct gas puff），這也是最簡(jiǎn)單、有效和方便的補(bǔ)氣方式。在我國(guó)自主研制的第一個(gè)非圓截面全超導(dǎo)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置EAST（ExperimentalAdvanced Superconduct Tokamak）中目前主要是通過(guò)對(duì)H₂、D₂進(jìn)行歐姆加熱, 低雜波加熱等方法得到高溫等離子體�？梢�(jiàn)H₂、D₂進(jìn)氣量的多少將直接影響等離子體的密度。EAST裝置主要是通過(guò)壓電晶體閥來(lái)控制H₂和D₂的流量。壓電晶體閥額定氣體流量率在特定的試驗(yàn)條件下有較大的偏差, 如何得到實(shí)驗(yàn)條件下壓電晶體閥準(zhǔn)確的流量率對(duì)托卡馬克聚變反應(yīng)中粒子輸運(yùn)的計(jì)算、密度反饋控制及其他仿真計(jì)算至關(guān)重要同時(shí)也為加料效率和再循環(huán)等問(wèn)題的研究提供必要的參數(shù)。PEV壓電晶體閥性能穩(wěn)定, 非常適合作為補(bǔ)氣控制閥。對(duì)PEV壓電晶體閥在不同工作電壓下的流量率準(zhǔn)確標(biāo)定顯的尤為重要。

1、PEV壓電晶體閥的工作原理

　　PEV閥的安全工作電壓0~100V, 工作溫度10~60℃。當(dāng)閥門(mén)接通電源以后,施加在壓電陶瓷塊上的偏振電壓會(huì)使壓電陶瓷塊發(fā)生彎曲，偏正電壓不同，致使壓電陶瓷塊發(fā)生彎曲的程度也不同。固定在壓電陶瓷塊上的密封橡膠墊輕微地抬起，閥門(mén)進(jìn)氣端的氣體便通過(guò)小孔入到閥門(mén)出氣端。其結(jié)構(gòu)如圖1。在EAST裝置上，通過(guò)程序控制施加在壓電晶體閥的偏正電壓（目前主要應(yīng)用在預(yù)充氣階段，密度反饋控制調(diào)節(jié)工作電壓處于試驗(yàn)階段）來(lái)改變壓電陶瓷塊的彎曲程度，從而控制儲(chǔ)氣罐到真空室的H₂和D₂流量率。

2、實(shí)驗(yàn)原理

　　在實(shí)驗(yàn)室條件下，有如下裝置，其中左邊罐子壓強(qiáng)為P1,體積為V1，右邊罐子為真空，壓強(qiáng)近似為0，體積為V2。連接管很短，流導(dǎo)忽略不計(jì)，如圖2�，F(xiàn)瞬間打開(kāi)閥門(mén)立即關(guān)閉（幾十個(gè)ms），即保證左罐進(jìn)入右罐的氣體量不是很大。由克拉珀龍方程PV=nRT知，在沒(méi)打開(kāi)閥門(mén)前氣體狀態(tài)方程為

P₁V₁=n₁RT₁，P₂V₂=n₂RT₂=n₂RT₁=0

　　關(guān)閉閥門(mén)后，左右兩罐氣體達(dá)到穩(wěn)定后其狀態(tài)方程

P'₁V₁=n'₁RT'₁，P'₂V₂=n'₂RT'₂

　　在試驗(yàn)條件下，溫度的變化非常小，基本可以認(rèn)為是恒溫，即T₁=T'₁=T'₂，則，

ΔP₁V₁=P'₁V₁- P₁V₁=n'₁RT'₁- n₁RT₁=(n'₁- n₁)RT₁=Δn₁RT₁

ΔP₂V₂ = P'₂V₂- P₂V₂= n'₂RT_'2- n₂RT₂=( n'₂- 0)RT₁= n₂RT₁

又因?yàn)閚₁=n'₁+n₂，所以n'₂=- (n'₁- n₁)=-Δn₁，代入上式，得到

-ΔP₁V₁ = ΔP₂V₂

　　對(duì)上式兩邊同除以Δt（閥門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間），得

Q=-V₁ ΔP₁/Δt = V₂ΔP₂/Δt（1）

　　這即為閥門(mén)的流量率。

圖1 PEV閥門(mén)結(jié)構(gòu)圖  圖2 工作原理示意圖過(guò)程

3、試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

3.1、試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

　　本PEV壓電晶體閥流量率標(biāo)定實(shí)驗(yàn)采用VC++程序計(jì)算，通過(guò)計(jì)算閥門(mén)開(kāi)啟前后標(biāo)準(zhǔn)罐和大罐壓強(qiáng)的變化ΔP，再利用公式一，即可計(jì)算閥門(mén)的流量率。裝置如圖3。

　　在25℃的實(shí)驗(yàn)室里，本試驗(yàn)平臺(tái)有兩個(gè)鋼質(zhì)罐子，分別為體積為0.318L的小罐和體積為120L的大罐。兩個(gè)真空計(jì)，一個(gè)是CDG025電容薄膜規(guī)， 其規(guī)管連接在小罐子上， 同時(shí)從其control口引一路模擬量接入PCI9112數(shù)據(jù)采集卡。另一個(gè)真空計(jì)是PKR251 冷規(guī)，其規(guī)管連接在大罐子上，也從其control 口引一路模擬量接入PCI9112 數(shù)據(jù)采集卡，PCI9112 數(shù)據(jù)采集卡在本試驗(yàn)主要用途是數(shù)據(jù)的采集和計(jì)算機(jī)程序控制電壓的輸出。一個(gè)PEV 壓電晶體閥直接連接小罐和大罐，其安全工作電壓為0~100 V。一個(gè)快速線性電壓放大器連接PEV 閥和數(shù)據(jù)采集卡，其電壓放大倍數(shù)為20 倍。一臺(tái)安裝了PCI9112 數(shù)據(jù)采集卡的工控機(jī)。在試驗(yàn)情況下，大罐的壓強(qiáng)為2.2E- 3Pa 以下，小罐的工作壓強(qiáng)為1.0~0.15 MPa，但由于CDG025 的滿量程為133322 Pa,故試驗(yàn)時(shí)壓強(qiáng)不大于1.33 ATM（EAST 裝置聚變反應(yīng)時(shí)其補(bǔ)氣壓強(qiáng)也在1.3ATM左右）。

圖3 試驗(yàn)平臺(tái)示意圖

3.2、試驗(yàn)過(guò)程

　　在做本試驗(yàn)前，已驗(yàn)證PEV閥有2ms的開(kāi)啟時(shí)間。在試驗(yàn)前，先判斷大罐和小罐的工作壓強(qiáng)是否符合試驗(yàn)要求。如果不符合，調(diào)整大、小罐的壓強(qiáng)。小罐可以通過(guò)放氣和補(bǔ)氣來(lái)實(shí)現(xiàn)，大罐若大于2.2E-3Pa，則可用小機(jī)組泵（分子泵和機(jī)械泵）抽氣實(shí)現(xiàn)。若符合試驗(yàn)要求，關(guān)閉大罐抽氣閥門(mén)和小罐補(bǔ)氣閥門(mén)，這時(shí)觀察真空計(jì)發(fā)現(xiàn)，大罐壓強(qiáng)在持續(xù)上漲，而小罐卻相當(dāng)穩(wěn)定。這是由于當(dāng)大罐壓強(qiáng)達(dá)到2.2E-3Pa后，停止抽氣，其附在壁上的氣體會(huì)放出來(lái)。另外PKR251冷規(guī)在從E-3量級(jí)到1.0Pa 量級(jí)轉(zhuǎn)換精度不是非常理想。考慮到以上因素，以小罐壓強(qiáng)的變化量ΔP1為計(jì)算量比較準(zhǔn)確，大罐壓強(qiáng)的變化量ΔP2為參考量，運(yùn)用公式一后，兩者流量率的數(shù)值不應(yīng)相差太大。這時(shí)通過(guò)程序采集兩規(guī)管的壓強(qiáng)。由于采集來(lái)的是電壓信號(hào)，在程序里要有把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成壓強(qiáng)的函數(shù)，CDG025規(guī)管的電壓與壓強(qiáng)的關(guān)系為：P=(V/10)133322，PKR251規(guī)管的電壓與壓強(qiáng)的關(guān)系為：P= pow(10,1.667*V-9.33)。這時(shí)通過(guò)程序發(fā)出一個(gè)脈寬為50ms，脈幅5V為脈沖到數(shù)據(jù)采集卡，該脈沖經(jīng)電壓放大電源施加在PEV 閥上。實(shí)際施加在PEV 閥的工作電壓為100 V， 時(shí)間為50 ms。50 ms 級(jí)精確定時(shí)在VC++,主要通過(guò)以下部分完成：