非蒸散吸气剂泵HV400（吸气剂材料由钛、镐、钒和铝等按一定比例研制的烧结型非蒸散吸气剂ZAO）可以在20℃~200℃下稳定工作，抽气容量的大小会随着温度的升高而增大，可以反复激活再生，恢复抽气性能，并且无法兰连接，可适用于作中性束注入器真空抽气系统的主抽泵，如图1（a），相关尺寸如图1（b）^[2]。目前，非蒸散吸气剂泵已成功应用在一些聚变装置上，如同步辐射光源、仿星器（LHD）偏滤器和加速器等，但EAST托卡马克中性束注入器中还尚未应用 ^[3-5]。

根据[2]提供的相关资料（HV400 Wafer Module）显示H₂在整个吸附过程中吸附量略微减小，在200℃下的实际抽速为390 L/s；而N₂和CO₂在 200℃下的实际抽速分别为105 L/s和130 L/s。由此可见HV400对H₂具有非常高的亲和力以及非常大的吸附容量，对N₂和CO₂吸附一段时间后，吸附量会随着温度的升高而增大。同时，HV400 Wafer Module中给出了相关参数，如表1所示，为系统设计提供了理论数据。

抽速测试罩是抽气性能测试系统中最基本最重要的部件，测试罩主要有两种，流量计法适用于压力大于1×10⁻⁴ Pa或者流量大于2×10⁻² Pa·L/s；小孔流导法适用范围与之相反 ^[6]。H₂在中性束注入器真空系统中作为主要的被抽气体，而H₂在温度为4.2 K时的饱和蒸汽压为10⁻⁴ Pa^[7]。为了确保测试罩进气流量符合要求，需要采用图2所示的流量计法测试罩来进行有效仿真。

通过蒙特卡洛模拟可以知道抽速测试罩内的压力分布情况，测试罩顶部的斜度、全量程规管的安装位置和进气管直径与测试罩直径之比等性能及参数都是影响测量系统准确测量的主要因素，而全量程规管的安装位置是最主要的影响因素^[8]。直径最小的进气管在流量分布中具有最高的轴向分量，且进气管直径越小具有更高浓度的分子击中泵的中心，因此进气管直径与测试罩直径的比值应小于0.1；法兰距离全量程规管的位置为D/2；测试罩顶部斜度取10°，如图2所示。按照测试罩尺寸结构设计，测试值接近于真实值。

根据HV400的尺寸大小，选取标准口径为250 mm的抽速测试罩，法兰距离全量程规管的位置为125 mm，进气管直径为6.35mm，测试罩顶部与水平夹角为10°。

美国真空协会推荐的流量计法测试罩抽速测试原理可以用式（1）表示^[9]：

式中S为HV400有效抽速，L/s；Q为进气量，由MFC精确控制与测量，Pa·L/s；p为全量程规管所在处的平衡压力，Pa；p₀为抽速测试罩的本底压强，Pa。

在加工相关零部件并进行装配之前，需要将Solidworks软件建立的三维模型以STL的格式导入到Molflow软件中，以验证测试系统设计的可行性。Y轴负方向作为气体分子运输方向，导入Molflow软件中简化后的三维模型图，如图3（a）所示。

设定进气面的气体相对原子质量分别为2（H₂）、28（N₂）和44（CO₂），温度为293.15 K，气体分子解吸遵循余弦定理（Cosine），在抽速测试罩内气体分子运动速度的概率分布遵循麦克斯韦-玻尔兹曼分布，设定吸附面的温度为473.15 K，且吸附面对H₂、N₂和CO₂的粘滞系数分别设定为0.12、0.12和0.18。为了便于观察进气管和测试罩内部的压力分布，对抽速测试系统进行模拟分析，以10 Pa·L/s的进气量为例。压力纹理图以Y轴、Z轴为截面方向，截面设置时选择2Sided，不透明度为0，气体分子自由通过截面，如图3（b）；从图3（b）中清晰可见在三种气体进气管内压力均逐渐减小，根据所记录的最大值，与气体通过减压阀后的压力相比较，进气管中的气压满足进气压力要求；由于设计的测试罩体积比较小，图中测试罩内压力分布趋于均匀；可以观察到测试罩内顶部颜色较深，压力局部较高，顶部气体分子背离吸附面，无法及时被吸附；同时也可以观察HV400内部的压力分布，由于不断地吸附气体，压力会相对减小，均与实际情况相符；图3（c）是抽速测试罩内压力稳定时的梯度纹理图，同时记录压力的最大值与最小值。

从图4中可以看出三种气体在1 Pa·L/s—10 Pa·L/s进气量下，进气量Q与平衡压力p呈现出近似的线性关系，抽速测试罩内的平衡压力（也称气体负载）随着进气量的增加而增大；HV400对氢气的抽速最大，对氮气的抽速最小，且抽气相对稳定。

由图5可知在1 Pa·L/s～10 Pa·L/s进气量下，HV400对H₂、CO₂和N₂的理论抽速分别在379.75 L/s～384.62 L/s、124.48 L/s～127.19 L/s和101.78 L/s～103.45 L/s范围内，它们的平均抽速分别为382.41 L/s、125.93 L/s和102.81 L/s。与实际抽速相比，误差分别为1.95%、3.13%和2.09%，与文献[8]分析的结果相吻合，说明了系统设计的合理性，且可有效评估HV400的抽气性能。

HV400抽气性能测试系统是以测试罩为基础建立的，而抽速测试罩则是该系统中至关重要的一个组成部分，也是其满足抽速测量进气系统、辅助抽气系统、测量与控制系统和激活再生系统等集成设计建立，如图6。

进气系统是为真空腔室提供气源的装置如图7。选择高纯度的氢气，氢气通过减压阀后的压力达到MFC对进气压力的要求；为了精确控制进气量，选用了Swagelok FU型号通用针阀和MFC进行测量与控制。选用的MFC流量规格为0～50 mL/min，满量程精度为0.08%FS，响应时间小于1 s。

辅助抽气系统是为真空腔室提供满足实验基本要求的真空辅助抽气装置，且具有抽出HV400激活再生期间解吸的气体功能。辅助抽气系统主要是一台小型分子泵组，品牌型号选用中科科仪公司的FJ-700F分子泵组，连接管道选用KF25接口的波纹管，分子泵组连接着电源，并且在真空腔室和分子泵组之间安装了预抽阀和检漏口，如图8所示。

测量与控制系统主要是对整个真空系统实验测试信号进行实时测量与控制。如图9所示。

实验测试信号分别有流量、压力、残余气体分析和温度信号等，流量信号和压力信号分别由MFC和全量程规管与PC连接，通过RS485接口和PLC线进行数据采集；残余气体分析仪对各个阶段的真空腔室中剩余气体进行了分析；通过在模块的盒表面安装热电偶以监控HV400的温度，再通过NEG power温度调节模式实现控制吸附面温度的大小。

激活再生系统是为了恢复HV400的抽气性能。在HV400抽气过程中，不同气体会被吸附在钛镐钒铝合金吸气剂的表面，由于不断地吸附气体，吸气剂表面被相对稳定的固溶物所覆盖，气体难以再与吸气剂表面相结合，从而HV400的抽速开始下降^[10]。HV400的激活再生温度为500℃，持续高温加热会使氢及其同位素从固溶物中重新释放出来，扩散进入测试罩，从而HV400抽气性能得以恢复。

NEG泵抽气性能实验测试装置如图10所示。

实验测试装置搭建并完成调试后，利用氦质谱检漏仪进行检漏，漏率达到10⁻¹¹ Pa·m³/s，满足实验要求。辅助抽气系统一直处于工作状态，并持续了3天温度为150℃的烘烤处理，待烘烤结束后，真空腔室空冷至室温。真空腔室在烘烤前后的气体成分变化如图11所示，从图中可以看出，真空腔室里的H₂O、N₂和CO₂等杂质气体在烘烤后明显减少。腔室极限真空可抽至1.1×10⁻⁵ Pa，满足实验测试基本要求。

在实验条件的允许下分别进H₂、N₂和He，激活一小时后将温度冷却至室温，启动 HV400使其处于工作状态，实时监测进气量与真空腔室压力的稳定变化，温度调节和电压控制由本地控制，进气流量与压强远程控制，控制界面如图12所示。

从实验结果图13中可以看出， HV400对氢气和氮气的抽速会受到气体负载的影响，抽速随着气体负载的增大而减小；而HV400对惰性气体氦的抽速非常小，接近于0，对氮气的抽速在87.56 L/s~32.7 L/s范围内，对H₂的抽速在384.97 L/s~57.09 L/s范围内；HV400在10⁻³ Pa量级下抽氢效果比较突出，EAST NBI中的真空室压力分布要求是在10⁻³ Pa量级左右，则可针对NBI真空抽气系统进行NEG泵模块化安装设计稳定抽氢及其同位素。

中性束注入是核聚变科学中常用的等离子体加热工具之一，随着聚变领域技术的发展，中性束注入为未来聚变装置中不可或缺的辅助加热装置。由于非蒸散吸气剂ZAO对氢及其同位素具有较高的亲和力，且能够在复杂恶劣的环境下运行。因此，通过Molflow软件进行分子流模拟仿真，分析在不同进气量下的压力分布，计算结果验证了该测试系统中测试罩设计的的合理性及可行性，为HV400抽气性能测试系统的设计提供了理论依据。基于标准化流量计法及未来中性束注入器工程运行需求，完成了非蒸散吸气剂泵HV400抽气性能测试系统的设计与平台搭建。为未来中性束注入器真空抽气系统特别是有效的抽除氢及氢的同位素的一种新型抽气方法及技术装备，提供了理论依据与技术支持。