四極質譜計用于等離子體診斷時常常面臨質譜計工作上限問題和四極質譜計離子源所產生的本底組分分壓強導致測量結果有較大誤差的問題; 為使四極質譜分析能作為等離子體診斷的常規手段, 必須拓展四極質譜計測量上限和分析離子源產生的附加本底的特點并加以扣除, 確保作為等離子體診斷時的測量精度。

　　四極質譜計(QMS) 是由小型離子源和小型四極分析器構成的氣態物質組分檢測設備, 也是托卡馬克裝置運行時的氣態雜質檢測的常用設備。其優點在于其輕便、高分辨和高靈敏度, 且使用時不需用磁場。然而離子源和四極分析器中非線性因素的存在, 其測量上限受到總壓強的限制, 離子源的工作上限約為0.1Pa, 分析器測量上限一般為10^-2 Pa。在用于托卡馬克裝置中的診斷時, 四極質譜計測量要面臨如下問題: 托卡馬克放電時的送氣壓強為10^-1～10^-2 Pa, 輝光放電清洗時的工作壓強為1～10^-2 Pa,托卡馬克放電工作壓強為10^-1～10^-5 Pa, 它們的上限都超過四極質譜計測量上限(10^-2Pa)。同時工作氣體氫氣與離子源灼熱燈絲(1800～2000 K) 碰撞會產生分解反應, 繼而與電極系統或分析室壁表面所吸附的碳氧發生化學反應, 形成附加的本底組分, 疊加在待測組分上, 造成采集數據的較大誤差。雖然目前采用差分抽氣法能解決測量上限的非線性問題,但仍不能消除電極系統產生附加本底組分的影響。若不用差分抽氣而直接用于等離子體診斷, 還需對四極質譜計的測量上限進行拓展。本文就對四極質譜計直接用于10^-1～10^-2 Pa 測量范圍時的分析器測量上限的拓展和電極系統中產生附加本底組分的消除進行了實驗研究。

1、實驗安排

　　實驗在HL-1M 裝置上進行(裝置真空室內有壁5% 的石墨)。實驗安排如圖1 所示。關斷質譜計分析室與裝置真空室間的隔離閥, 將分析室抽至5×10^-5 Pa, 通過PV-10 壓電晶體閥向分析室送入由超純氫發生器產生的高純氫氣, 由真空計測量壓強,待每個實驗壓強點穩定后, 由四極質譜計測出分析室內雜質組分H2O , CO , CH4 相應的分壓強, 取三次的平均值。然后打開隔離閥, 用四極質譜計測量裝置真空室本底真空的分壓強(H2O , CO , CH4 ) , 再啟動氦直流輝光放電(在四極質譜計分析室的等效氮壓強為10^-3 Pa) , 在600 V、1. 2 A 下測出裝置真空室內的H2、CO、H2O、CH4 分壓強。在整個實驗中保持四極質譜計的工作參數不變。

1.抽氣機組　2.四極探頭　3.小孔　4.進樣咀　5.環形室　6. 真空計　7.四極質譜計　8.終端

圖1　HL-1M 裝置的質譜診斷系統

2、四極質譜計測量上限的拓展

4、結論

　　直接使用四極質譜計測量總氣壓在10^-1～10^-2 Pa的氣體時, 此為質譜計的非線性工作區, 由于離子流在四極場中與氣體分子碰撞導致離子流通過率小于1, 應使用P _i= I _ci ⁺ /(k _i G) 計算各組分分壓強; 當總氣壓低于10^-2 Pa 時, 此為質譜計的線性工作區, 離子流通過率可近似為1, 由質譜計直接測量出各組分氣體的分壓強。由于氫氣與離子源的熱燈絲作用及其它相關化學反應而產生本底組分, 尤其是水的本底組分壓強較高(它正比于氫分壓和燈絲發射電流) , 在較高精度的測量中需考慮扣除本底組分分壓強的影響。

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