前言#

目录#

• 核心架构

• 核心原理

• 真空系统

• 供气系统

• 电路系统

核心架构#

Fusor 的核心结构由一个球形或近似球形的不锈钢真空腔体构成。腔体既是整个装置的机械承载主体，也是内部真空环境的边界。与普通容器不同，真空腔体不仅需要具备足够的结构刚度，还需要考虑气密性、材料放气、接口密封以及不同部件之间的装配关系。

从整体布局来看，装置采用以腔体几何中心为原点的三维直角坐标系描述空间位置。其中，(Z) 轴为垂直轴，连接腔体的上下极点；(XY) 平面为赤道平面，与 (Z) 轴垂直。这样的坐标定义能够为腔体几何描述、接口位置标注和后续三维模型建立统一的参考基准。

1. 真空腔体

Fusor 的真空腔体是整个系统的基础结构。其主体采用球形或近似球形设计，内部形成相对封闭的空间，用于容纳电极组件及其他相关部件。球形几何具有较好的空间对称性，也便于围绕腔体中心描述内部结构的位置关系。

腔体本身需要与外部真空系统连接，并通过相应的接口实现抽气、压力测量和其他辅助功能。各接口在空间中的分布，会直接影响外部管路的布置、内部部件的安装空间，以及整个装置的可维护性。

圆柱形的Fusor变体

2. 赤道分界结构

腔体中部设置赤道分界结构，并以 (Z=0) 的平面作为上下部分的共同参考基准。该结构不仅用于描述腔体的几何分区，也有助于统一上下部分的定位关系。

赤道区域同时承担重要的结构连接功能。对于采用分体式结构的设计方案，中部连接区域需要考虑装配定位、连接件布置、密封界面以及拆装维护需求。

球形壳体的赤道分界与环形连接结构示意。图片用于说明结构概念，不代表实际设计尺寸。

3. 阴极与阳极的空间关系

阴极与阳极构成 Fusor 内部电极系统的核心部分。它们的相对位置决定了电极系统的几何布局，也影响内部电场分布的对称性。

在理想化的球形模型中，可以将腔体几何中心作为电极布局的重要参考点。

4. 真空接口与辅助结构

为了与外部系统建立连接，腔体需要设置相应的接口区域。根据功能划分，这些接口可以包括轴向连接接口、侧向观察接口，以及用于测量或其他辅助用途的接口。

5. 材料、密封与结构

真空腔体的设计不仅涉及外部几何形状，还涉及材料、连接和密封界面的选择。对于不锈钢腔体而言，材料牌号、加工状态、焊接质量和表面处理都会影响最终结构的性能。

6. 坐标基准

本文采用统一的三维直角坐标系描述腔体结构。原点位于腔体的几何中心，(Z) 轴指向上下极点，(XY) 平面对应赤道平面。

在此基础上，腔体主体、赤道分界结构和各类接口都可以使用统一的空间参考系表达。

核心原理#

注入和电离：

向真空腔体内引入少量氘气（D₂）后，气体在腔体内形成低密度的中性粒子环境。在适当的电场条件下，具有足够能量的自由电子与氘分子发生碰撞，使其发生电离，产生带正电的分子离子（D₂⁺）及新的自由电子。

随着电离过程持续进行，体系中的带电粒子数量增加，并逐渐形成由自由电子、正离子及残余中性粒子共同组成的部分电离气体。当带电粒子的集体行为在相关空间尺度上占据主导地位时，就产生了等离子体。

参考文献

静电加速：

带正电的氘核受到中心负高压阴极的吸引，同时受到阳极的约束。在电场的作用下，氘核会被吸入内栅极的空隙，向球体的几何中心高速运动，并在这个过程中获得较高的动能。

由于电极结构和电场分布的影响，氘核并不会全部沿着同一条轨迹运动，而是在中心区域穿行，并可能与其他粒子发生碰撞。当氘核之间的相对能量达到一定条件时，就有可能发生聚变反应。

参考文献

库仑势垒/量子隧穿：

当两个高速运动的氘核彼此接近时，它们之间的静电排斥会越来越强，形成所谓的库仑势垒。在距离达到10−15m的量级时，虽然库仑排斥依然很强，但根据量子隧穿效应

，氘核仍有一定概率穿过势垒，使两个原子核足够接近，进而发生核聚变反应，并释放能量。

图：库仑势垒与量子隧穿效应示意。原子核即使没有足够的经典能量越过势垒，也可能通过量子隧穿效应进入短程核力能够发挥作用的区域。

聚变方程式:

• 氘-氘（D-D）有两种等概率分支：

1Mev=1兆电子伏特

解释：氘+氘生成一个氦-3,约为0.82Mev，并释放一个中子，约2.45Mev

以及

解释：生产一个氚核，约1.01Mev,并释放一个质子，约3.03Mev

反应是等比概率的，在自然界中，这两条分支发生的概率几乎各占50%

各聚变燃料示意图

Fusor 的目的很多时候并不是追求净能量增益，而是证明在静电约束产生的高能离子环境中确实可以发生核聚变。因此D-D是低燃料门槛,稳定,和可探测中子产物的最优解。

韧致辐射：

本质上，当带电粒子（主要是电子）在原子核的电场中高速运动，并发生偏转或减速时，其部分动能会以电磁波的形式释放出来。对于能量较高的电子，这种辐射可以达到 X 射线的能区，这种现象就叫做韧致辐射。

在Fusor中，有两种情况会产生强烈的韧致辐射。

• 高能电子撞壁： 真空中存在的高能电子会在电场作用下获得较高的动能。当这些电子最终撞击金属腔壁时，会受到金属内部原子核电场的强烈作用，在减速和偏转的过程中产生韧致辐射，其中一部分能量以 X 射线的形式释放出来。 通常来说，电子能量越高，产生高能 X 射线的可能性也越大。

• 残余气体碰撞： 在等离子体中，高能电子经过中性原子或离子附近时，会受到其库仑场作用而发生偏转或减速，从而产生韧致辐射。除此之外，电子与中性粒子的碰撞还可能发生电离、激发等过程，但这些过程本身不能简单地等同于韧致辐射。

真空系统#

计划目标真空腔体规格：

尺寸和内部空间： 球形腔体外径约 250 mm，内部有效空间根据壁厚和内部结构预计约为 200–230 mm。按球形腔体计算，内部几何容积约为 4.2–6.4 L，实际可用空间会受到电极、接口和其他内部结构的影响。

材料： 材料： 采用 316L 不锈钢。该材料具有较好的耐腐蚀性、较低的磁导率以及较好的真空适用性，同时相对容易进行机械加工和焊接。

外形结构： 腔体采用南、北两个半球组成，赤道位置设置环形法兰，通过法兰将两个半球进行连接。赤道法兰同时作为腔体拆装和内部部件安装的主要接口。

壁厚： 计划采用 3.0–4.0 mm，根据实际加工工艺、腔体强度以及法兰焊接结构进行最终确定。

真空侧表面处理： 真空侧进行机械抛光，以减少表面粗糙度和污染物附着。有条件的情况下，可进一步进行电解抛光，以改善表面洁净度和真空性能。

赤道法兰： 采用 DN250 级别的定制环形法兰结构，使用氟橡胶（FKM）O 型密封圈进行密封，并设置定位销孔以保证南北半球装配时的相对位置。 法兰周向计划设置 8–12 个 M8/M10 螺栓连接孔，具体孔数、孔距和螺栓规格根据法兰尺寸及加工厂的结构设计最终确定。

接口布局及规格:

• 三维直角坐标系参考：

1. 顶部高压馈通接口 位于腔体北极极点 +Z 方向。 接口轴线与 Z 轴重合，并垂直于赤道法兰平面。根据实际馈通件规格选择 CF-35 或 KF-25 等对应接口。 位置关系： 北极 / +Z 轴 / φ = +90° 该接口与底部主抽气接口处于同一条 Z 轴上

2. 底部主抽气接口 位于腔体南极极点 -Z 方向。 采用 ISO 63-K 接口，接口轴线与 Z 轴重合，与顶部馈通接口保持同轴关系。 位置关系： 南极 / -Z 轴 / φ = -90° 这样在三维坐标模型中，上下两个接口实际上构成一条穿过球心的轴线。

3. 观察窗 观察窗设置在 Y 轴两侧，并分别向球心方向布置。法兰规格为CF-63。 上观察窗： 位于 +Y 半球，向上偏离赤道面 30°。 θ = +90°，φ = +30° 下观察窗： 位于 -Y 半球，向下偏离赤道面 30°。 θ = -90°，φ = -30° 极角对应： 上观察窗：极角 60° 下观察窗：极角 120°

4. 中子正比计数管接口：位于腔体上半球的 -Y 方向，中心线相对于赤道面向上偏转 30°，采用 CF-35 接口。该接口与位于 +Y 半球下方的进气接口形成空间上的对角布置。 对应：θ = -90°，φ = +30°

5. 进气口：位于腔体 +Y 半球下方，相对于赤道面向下偏转 30°。腔体侧采用 KF-16 接口，外部连接针阀。针阀另一端的接口形式根据实际选用的针阀规格确定。 对应： θ = +90°，φ = -30° 这样它和中子探测接口形成关于赤道面的对称关系。

6. 高真空测量口：用于连接高真空测量元件。该位置不直接安装传统机械式压力表，具体测量方式及控制器配置留待后续确定。腔体侧采用 KF-16 接口，位置位于 +X 半球，相对于赤道面向上偏转 30°。 对应： θ = 0°，φ = +30°

7. 泄压阀：位于 -X 半球，相对于赤道面向上偏转 30°，采用 KF-16 接口，用于后续连接手动泄放阀。 对应： θ = 180°，φ = +30°

• 坐标计算器： 由于手机浏览存在兼容性问题，该功能已被移除，仅保留在目录里。

泵阀部分:

• 泵组与串联结构：

Torr 是真空工程中非常常见的压力单位：

1 Torr ≈ 133.3 Pa

1 mbar = 100 Pa

阅读泵体说明书一般都是用Torr作为单位，所以为了更好阅读换算成pa/mbar。

前级泵： 采用 VRD-4 双旋片机械泵，额定抽速约 4 m³/h（约 1.1 L/s），标称极限压力约为 0.5 Pa。主要负责系统的预抽真空，并作为高真空泵的前级泵。作为真空系统的前级泵，采用 VRD-4 双级油封旋片真空泵。与 AX-65 扩散泵不同，VRD-4 属于机械式真空泵，通过电机带动旋片在泵腔内旋转，对吸入的气体进行连续压缩并排出。 VRD-4 为双级结构。气体经过两级压缩后，可以获得比单级旋片泵更低的极限压力，因此除了能够用于普通低真空抽气，也可以作为扩散泵、分子泵等高真空泵的前级泵。 VRD 系列采用油封结构，泵油不仅用于密封旋片与泵腔之间的间隙，同时还承担润滑和散热作用。VRD-4 的油量约为 0.6～1.0 L。其内部还采用强制供油结构，通过内置齿轮泵和恒压供油机构维持润滑油循环。

主泵（二级泵）： 高真空段采用 AX-65 油扩散泵。扩散泵与旋片泵的工作方式不同，其本身不依靠机械运动部件压缩气体，而是通过加热泵油产生高速蒸汽射流，使进入泵体的气体分子沿着泵内的蒸汽流向前级侧运动，从而实现高真空抽气。 AX-65 属于小型油扩散泵，采用三级蒸汽喷射结构，泵体为不锈钢结构，并采用风冷设计。官方资料给出的标准配置空气抽速为 65 L/s，氦气和氢气抽速可达到 90 L/s。其泵油充注量为 30 cc，额定工作功率根据电气版本不同为 200 W 或 250 W。 油是扩散泵的工作流体。泵油被加热后形成蒸汽，蒸汽经过多级喷嘴后形成高速射流；气体分子在与蒸汽射流碰撞后被带向泵的下游区域。随后泵油蒸汽重新冷凝并回到泵的底部，形成循环。

挡板与返油

油扩散泵的一个特殊问题是返油。由于扩散泵使用油蒸汽工作，一部分泵油蒸汽可能向真空系统一侧运动。如果这些油蒸汽进入真空腔体，就会造成真空系统的油污染。 因此，AX-65 可以采用冷帽（cold cap）或挡板（baffle）等不同结构来降低返油。Agilent 给出的数据中，标准冷帽配置的入口返油率小于 2×10⁻⁴ mg/cm²/min，带挡板的配置则可以降低至 2×10⁻⁵ mg/cm²/min。也就是说，挡板的主要作用之一就是进一步阻挡泵油蒸汽向高真空侧迁移。 不过，挡板并不是单纯地“增加一个部件就提高所有性能”。官方 AX-65 手册中，带挡板配置的最大空气抽速为 30 L/s，氦气抽速为 65 L/s；标准冷帽配置则分别为 65 L/s 和 90 L/s。

• 背压关系：

扩散泵不能直接对着大气工作，它需要前级泵先把扩散泵排气侧的压力降低到允许范围内。简单来说，前级泵的作用就是给扩散泵创造一个足够低的背压环境，使扩散泵能够正常工作。

AX-65 的最大允许前级压力约为 0.78 mbar（78 Pa）。如果扩散泵排气侧的压力过高，如直接处于大气压（约 101325 Pa），大气压堵住了排气口扩散泵的排气过程就无法正常进行，还可能造成泵油返流等问题，所以需使用前级泵来降低排气侧压力。

扩散泵本身的工作原理，是利用高速运动的油蒸汽射流将气体分子带向前级侧，并最终由前级泵排出。因此，扩散泵排气口的背压会直接影响其正常工作状态和抽气性能。

本方案采用 VRD-4 作为 AX-65 的前级泵。VRD-4 的标称极限全压力约为 0.5 Pa（0.005 mbar），明显低于 AX-65 所允许的 78 Pa（0.78 mbar）最大前级压力。因此，从标称压力范围来看，VRD-4 能够为 AX-65 提供足够低的前级压力，使扩散泵具备正常工作的前提条件。

• 管路连接

首先从 VRD-4 前级泵开始进行管路连接。泵的排气端设置相应的捕集与过滤组件，吸气端通过真空管路连接至真空系统。AX-65 扩散泵作为高真空泵，其排气侧与 VRD-4 前级泵连接，进气侧则与真空腔体相连。

整个真空系统的基本气路关系为：

真空腔体 → AX-65 扩散泵 → VRD-4 前级泵 → 排气端

不同接口之间根据实际法兰规格采用相应的转接件和真空管路连接。所有可拆卸连接处均需要使用与接口规格相匹配的真空密封件如氟橡胶垫圈，以降低漏率并保证系统的气密性。

管路设计中需要尽量减少不必要的转接和过长的管路。对于高真空侧，管路的内径、长度以及连接件数量都会影响系统的有效抽速，因此应尽量保持气路简洁。

首先从VRD-4开始，排气口按照油雾捕集阱，进气口安装一个KF-25三通口，每一端分别连接不同的件，一端安装真空计，另一端安装一个KF-16转接头后使用波纹管连接AX-65排气口，最后AX-65的进气口是ISO 63-K，通过波纹管连接腔体。

供气系统#

• 气源A：电解氘源

氘源 A 采用重水电解法产生氘气。其基本原理是以重水（D₂O）作为反应物，在直流电场作用下发生电解反应，使氘以氘气的形式析出。

阴极反应

在阴极发生还原反应：

4D₂O + 4e⁻ → 2D₂↑ + 4OD⁻

其中生成的 D₂ 为氘气。

阳极反应

在阳极发生氧化反应：

2D₂O → O₂↑ + 4D⁺ + 4e⁻

阳极产生氧气。

将两个半反应合并后，可以得到总反应：

2D₂O → 2D₂↑ + O₂↑

因此，在理想情况下，产生的氘气与氧气的物质的量之比为：

D₂ : O₂ = 2 : 1

阴、阳两极产生的气体需要保持物理隔离，避免形成混合气体。

同位素效应

重水与普通水在电解过程中存在明显的同位素效应。由于氘的质量大于普通氢，其 O–D 键与 O–H 键的振动特性不同，因此重水的电解行为与普通水并不完全相同。

在相同的电压和电极条件下，重水的电解过程通常比普通水更加缓慢。实际电解效率还会受到电解质、电极材料、温度以及电流密度等因素影响。

电解质

电解质的主要作用是提供能够在溶液中迁移的离子，从而提高溶液的导电能力，使电解过程能够持续进行。

原方案考虑使用硫酸钠（Na₂SO₄）等电解质。对于实际体系，电解质的选择还需要考虑其与重水、电极材料以及后续气体处理过程之间的相容性，不能仅以导电能力作为判断依据。

由于电解过程同时产生氘气和氧气，因此产生的气体必须分别处理，不能直接将两种气体混合后进入后续系统。

管路连接：

硅胶软管连接槽体出气口宝塔接头，软管连接洗气瓶后通过干燥器，干燥器的作用是去除气体中多余的水蒸气，然后通过软管连接到针阀，转接头按需而定，如1/8外螺纹转6mm或1/4外螺纹转8mm宝塔。

• 气源B：高压气瓶

氘源 B 采用高纯度氘气钢瓶作为气源。

与电解法相比，高压气瓶能够直接提供纯度较高、成分稳定的氘气，因此气体组成更加容易控制。但是，高压气源同时具有较高的储存能量，因此其使用需要经过减压、和安全保护设备。

原方案考虑采用多级减压结构，使气瓶内的高压气体逐级降低至系统所需的压力范围。

管路连接(非标准,仅供参考):使用316L不锈钢丝编织软管，耐压大于等于15mpa,接口需对于CGA 350，买管选1/4卡套，在使用CGA 350转1/4 NPT转接头来对接钢瓶，后连接减压阀（1/4NPT进气口），初期1/4卡套。 此过程可以用双级减压阀整体。再通过1/4 316L不锈钢硬管接入针阀。针阀对应腔体是KF-16口，另一端则为1/4卡套。

• 气源C：化学气源

化学气源通过化学反应将含氘化合物中的氘转化为气态氘化物，目标产物为 D₂。与重水电解法相比，化学法不依赖电解电源，但需要额外考虑反应物、反应副产物以及气体纯化问题。

基本原理

化学制氘的核心是利用反应过程中氘元素的转移，使其最终以双原子氘气（D₂）的形式释放。

理想情况下，可以将整个过程分为：

含氘反应物 → 化学反应 → D₂ + 副产物 → 气体净化 → 储存或后续使用

实际反应并不一定只生成 D₂。反应物中的其他元素也可能形成水蒸气、挥发性物质或其他副产物，因此不能将反应产生的混合气体直接视为纯氘气。

气体净化

化学反应产生的气体首先需要进行气液分离，并根据具体反应体系去除未反应物和挥发性副产物。

对于真空系统而言，水蒸气尤其需要控制。水蒸气进入真空腔体后会增加系统的气体负载，并在真空表面吸附，导致抽空时间增加以及最终压力受到影响。

因此，化学气源与真空系统之间可以从功能上划分为：

反应发生 → 气液分离 → 干燥/净化 → 气体缓冲 → 后续气路

这里的干燥和净化并不是简单为了“提高氘气纯度”，同时也是为了降低进入真空系统的非目标气体负载。

电路系统#

待编辑