本文介紹了在核聚變裝置中廣泛應用的壓電晶體閥的工作原理，并通過搭建試驗平臺模擬我國第一個全超導托卡馬克核聚變裝置EAST試驗時的真空環境，來準確計算試驗條件下的壓電晶體閥的氣體流量率，從而為核聚變試驗及等離子體的仿真計算提供可靠的試驗數據。

　　聚變能源是一種消耗燃料少,資源豐富的無污染的清潔能源。在聚變裝置托卡馬克中產生聚變能的是高溫等離子體，在反應中消耗的等離子體要及時得到補充才能維持核聚變反應對等離子體密度的要求，從而試驗長脈沖放電。目前在世界各國的磁約束核聚變裝置上均采用了直接注氣法（direct gas puff），這也是最簡單、有效和方便的補氣方式。在我國自主研制的第一個非圓截面全超導核聚變實驗裝置EAST（ExperimentalAdvanced Superconduct Tokamak）中目前主要是通過對H₂、D₂進行歐姆加熱, 低雜波加熱等方法得到高溫等離子體。可見H₂、D₂進氣量的多少將直接影響等離子體的密度。EAST裝置主要是通過壓電晶體閥來控制H₂和D₂的流量。壓電晶體閥額定氣體流量率在特定的試驗條件下有較大的偏差, 如何得到實驗條件下壓電晶體閥準確的流量率對托卡馬克聚變反應中粒子輸運的計算、密度反饋控制及其他仿真計算至關重要同時也為加料效率和再循環等問題的研究提供必要的參數。PEV壓電晶體閥性能穩定, 非常適合作為補氣控制閥。對PEV壓電晶體閥在不同工作電壓下的流量率準確標定顯的尤為重要。

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℃。當閥門接通電源以后,施加在壓電陶瓷塊上的偏振電壓會使壓電陶瓷塊發生彎曲，偏正電壓不同，致使壓電陶瓷塊發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，閥門進氣端的氣體便通過小孔入到閥門出氣端。其結構如圖1。在EAST裝置上，通過程序控制施加在壓電晶體閥的偏正電壓（目前主要應用在預充氣階段，密度反饋控制調節工作電壓處于試驗階段）來改變壓電陶瓷塊的彎曲程度，從而控制儲氣罐到真空室的H₂和D₂流量率。

2、實驗原理

　　在實驗室條件下，有如下裝置，其中左邊罐子壓強為P1,體積為V1，右邊罐子為真空，壓強近似為0，體積為V2。連接管很短，流導忽略不計，如圖2。現瞬間打開閥門立即關閉（幾十個ms），即保證左罐進入右罐的氣體量不是很大。由克拉珀龍方程PV=nRT知，在沒打開閥門前氣體狀態方程為

P₁V₁=n₁RT₁，P₂V₂=n₂RT₂=n₂RT₁=0

　　關閉閥門后，左右兩罐氣體達到穩定后其狀態方程

P'₁V₁=n'₁RT'₁，P'₂V₂=n'₂RT'₂

　　在試驗條件下，溫度的變化非常小，基本可以認為是恒溫，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

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

-ΔP₁V₁ = ΔP₂V₂

　　對上式兩邊同除以Δt（閥門的開啟時間），得

Q=-V₁ ΔP₁/Δt = V₂ΔP₂/Δt（1）

　　這即為閥門的流量率。

圖1 PEV閥門結構圖  圖2 工作原理示意圖過程

3、試驗平臺設計及試驗

3.1、試驗平臺設計

　　本PEV壓電晶體閥流量率標定實驗采用VC++程序計算，通過計算閥門開啟前后標準罐和大罐壓強的變化ΔP，再利用公式一，即可計算閥門的流量率。裝置如圖3。

　　在25℃的實驗室里，本試驗平臺有兩個鋼質罐子，分別為體積為0.318L的小罐和體積為120L的大罐。兩個真空計，一個是CDG025電容薄膜規， 其規管連接在小罐子上， 同時從其control口引一路模擬量接入PCI9112數據采集卡。另一個真空計是PKR251 冷規，其規管連接在大罐子上，也從其control 口引一路模擬量接入PCI9112 數據采集卡，PCI9112 數據采集卡在本試驗主要用途是數據的采集和計算機程序控制電壓的輸出。一個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。一個快速線性電壓放大器連接PEV 閥和數據采集卡，其電壓放大倍數為20 倍。一臺安裝了PCI9112 數據采集卡的工控機。在試驗情況下，大罐的壓強為2.2E- 3Pa 以下，小罐的工作壓強為1.0~0.15 MPa，但由于CDG025 的滿量程為133322 Pa,故試驗時壓強不大于1.33 ATM（EAST 裝置聚變反應時其補氣壓強也在1.3ATM左右）。

圖3 試驗平臺示意圖

3.2、試驗過程

　　在做本試驗前，已驗證PEV閥有2ms的開啟時間。在試驗前，先判斷大罐和小罐的工作壓強是否符合試驗要求。如果不符合，調整大、小罐的壓強。小罐可以通過放氣和補氣來實現，大罐若大于2.2E-3Pa，則可用小機組泵（分子泵和機械泵）抽氣實現。若符合試驗要求，關閉大罐抽氣閥門和小罐補氣閥門，這時觀察真空計發現，大罐壓強在持續上漲，而小罐卻相當穩定。這是由于當大罐壓強達到2.2E-3Pa后，停止抽氣，其附在壁上的氣體會放出來。另外PKR251冷規在從E-3量級到1.0Pa 量級轉換精度不是非常理想。考慮到以上因素，以小罐壓強的變化量ΔP1為計算量比較準確，大罐壓強的變化量ΔP2為參考量，運用公式一后，兩者流量率的數值不應相差太大。這時通過程序采集兩規管的壓強。由于采集來的是電壓信號，在程序里要有把電壓信號轉換成壓強的函數，CDG025規管的電壓與壓強的關系為：P=(V/10)133322，PKR251規管的電壓與壓強的關系為：P= pow(10,1.667*V-9.33)。這時通過程序發出一個脈寬為50ms，脈幅5V為脈沖到數據采集卡，該脈沖經電壓放大電源施加在PEV 閥上。實際施加在PEV 閥的工作電壓為100 V， 時間為50 ms。50 ms 級精確定時在VC++,主要通過以下部分完成：