HL-2A装置第一镜的辐照实验和防护模拟

聚变装置中面对等离子体的光学诊断设备的反射镜或收集镜称为第一镜。随着装置尺寸和运行参数的提高，特别是ITER装置运行指标的确认，第一镜的寿命和光学性能将由于高能中子和伽玛射线辐照而面临巨大的挑战。第一镜镜面光学性能的退化主要来自两个对立的过程：一是镜面材料的刻蚀，另一个是粒子在镜面的再沉积。究竟哪个因素起决定作用，需要现在运行的聚变装置实验的证实。在2001年以前，人们研究的重点主要集中在材料的实验室环境模拟和小型的实验室实验。最近，TEXTOR，JET等聚变装置开始将第一镜样品放入真空室并开始研究和分析真实等离子体放电环境对第一镜光学性能的影响。但是如何保护第一镜，延长第一镜的工作寿命仍然是一个迫切需要解决的问题。本文将报告第一镜在HL-2A装置上的辐照和防护实验结果。     

HL-2A第一镜挡板防护效果模拟

如何提高第一镜防护效果是目前托卡马克装置急需解决的问题之一,防护挡板是减轻第一镜表面杂质再沉积的很有效方法.为了研究挡板的防护效果,根据HL-2A装置的具体情况,采用蒙特卡罗方法建立了粒子在第一镜上再沉积的物理模型,模拟了不同情况下粒子在第一镜上的再沉积情况,包括无挡板情况和加锥形挡板情况.和实验结果进行了比较,从而验证了该模型的正确性.这为有效改善第一镜防护效果提供了理论依据. 关键词： 第一镜 再沉积 挡板 蒙特卡罗方法     

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2010年春季对安装在EAST抽气、硼化和限制器等所在的不同窗口的不锈钢、钨、钼等三种金属第一镜样品进行辐照实验,以初步研究等离子体辐照对第一镜光学特性的影响。辐照后,样品表面出现明显杂质沉积层,沉积层导致第一镜光学特性严重恶化。因此,对第一镜安装有效的保护装置以屏蔽杂质沉积,或应用第一镜原位清洗技术是必要的。     

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介绍了在HL-2A装置上远红外激光干涉诊断系统第一镜的溅射和沉积实验。比较了实验前后第一镜反射率的变化,分析了污染后的第一镜表面杂质成分,提出了用挡板防护第一镜的方法。     

聚变堆第一镜材料块体金属玻璃表面特性

研究了块体金属玻璃（块体非晶合金）Zr65Al7.5Ni10Cu17.5, Co61.2B26.2Si7.8Ta4.8和金属多晶钼3种第一镜材料经低温等离子体H和Ar辐照后的表面特性变化。结果表明,两种块体金属玻璃的抗H等离子体溅射能力与其成分有关。随着等离子体辐照时间的增加,金属多晶钼和块体金属玻璃Zr65Al7.5Ni10Cu17.5的表面粗糙度增大,镜面反射率降低;而块体金属玻璃Co61.2B26.2Si7.8Ta4.8的表面粗糙度减小,镜面反射率升高。X射线衍射仪（XRD）分析表明,块体金属玻璃在离子体溅射过程中,表面微结构具有自修复性。     

SR-FEL宽带腔镜与双带腔镜光学膜系实验研究与研制

利用“电子束蒸发沉积薄膜生长技术+离子束溅射沉积薄膜生长技术”、“HfO₂/SiO₂+Al₂O₃/SiO₂+M-SiO₂”复合光学膜系设计技术、400°C4h高温处理技术, 研制的SR-FEL宽带腔镜光学膜系在355nm中心波长的绝对光学反射率测量值为R(355nm)=99.45%, 反射光谱带宽测量值为Δλ(R≥99.00%)=75nm; 研制的355nm/248nm双带腔镜光学膜系, 在355nm中心波长, 其绝对光学反射率测量值为R(355nm)=99.69%, 反射光谱带宽测量值为Δλ(R≥99.00%)=59nm; 在248nm中心波长, R(248nm)=98.21%, 绝对光学反射率光谱带宽测量值Δλ(R≥99.00)=9mm, Δλ(R≥98.00%)=33nm.     

用于第一镜表面的金属玻璃薄膜研究

为解决大口径非晶金属第一镜实现难题,在研究块体金属玻璃Co61.2B26.2Si7.8Ta4.8材料基础上,采用金属玻璃块体材料制作拼接成溅射靶材,通过非平衡磁控溅射镀膜方法,实现了Co61.2B26.2Si7.8Ta4.8非晶金属薄膜第一镜。研究结果表明：通过成分设计及合成靶材的设计,能够实现与块体金属玻璃具有相同光学特性的非晶薄膜第一镜;通过Cr成分改进,能够进一步提高非晶金属薄膜第一镜在可见光波段的光谱反射率。     

La0.67Ba0.33MnO3薄膜的激光辐照效应研究

利用脉冲激光沉积技术在LaAlO3(00l)单晶衬底上制备了La0.67Ba0.33MnO3薄膜,研究了CO2激光辐照对La0.67Ba0.33MnO3薄膜的微结构和磁电性能的影响.结果表明,经激光辐照后,La0.67Ba0.33MnO3薄膜的结晶性增强,薄膜应变减小;薄膜表面形貌由"岛状"结构变为"平原"结构,且粗糙度大大降低;同时,薄膜的饱和磁化强度、铁磁居里温度、金属-绝缘态转变温度和磁电阻增大,而矫顽场和电阻率减小.根据对传统退火效应的分析和理论计算,认为激光辐照导致的表面微结构的变化以及薄膜的氧含量和均匀性的提高对La0.67Ba0.33MnO3薄膜的磁电性能的改善与优化密切相关.     

La0.67Ba0.33MnO3薄膜的激光辐照效应研究

利用脉冲激光沉积技术在LaAlO₃（00l）单晶衬底上制备了La_067Ba_033MnO₃薄膜,研究了CO₂激光辐照对La_067Ba_033MnO₃薄膜的微结构和磁电性能的影响.结果表明,经激光辐照后,La_067Ba_033MnO₃薄膜的结晶性增强,薄膜应变减小;薄膜表面形貌由“岛状”结构变为“平原"结构,且粗糙度大大降低;同时,薄膜的饱和磁化强度、铁磁居里温度、金属—绝缘态转变温度和磁电阻增大,而矫顽场和电阻率减小.根据对传统退火效应的分析和理论计算,认为激光辐照导致的表面微结构的变化以及薄膜的氧含量和均匀性的提高对La_067Ba_033MnO₃薄膜的磁电性能的改善与优化密切相关. 关键词： 庞磁电阻 激光辐照 脉冲激光溅射沉积     

聚变堆中子对第一壁辐照损伤的计算机模拟研究

用蒙特卡罗方法建立了适用于静态复成分非晶态靶的中子和带电粒子辐照损伤连接模拟程序，在模拟带电粒子级联碰撞时，特别考虑了替位碰撞，修正后的ＤＰＡ值比未考虑时减少了１０％－２０％；同时统计了ＤＰＡ中反常替位所占的比例。用此程序模拟研究了聚变堆中子对两种第一壁候选材料的辐照损伤，计算了中子辐照在材料中引起的ＰＫＡ。气体产生率，ＤＰＡ以及它们的深度分布，计算结果表明，中子引起的辐照损伤基本上为均匀的体损伤     

变形镜受热变形引起的波前畸变仿真及补偿

针对变形镜自身受强激光辐照后热变形问题,利用ANSYS的多物理模型建立了变形镜的热机械模型并进行了计算。针对受强激光辐照后变形镜吸收了部分热量并产生了0.9 m的变形量,根据该变形镜热畸变分布特征,提出了一种利用补偿镜对热畸变进行补偿的方法,即在一个薄型镜面背后用一些约束头固定构成补偿镜,放置在变形镜的后续光路中。约束头在补偿镜上的位置与极头在变形镜上的位置对应错开分布。对三种不同形状约束头的补偿镜进行了计算,补偿后综合变形量降低到0.35,0.32和0.40 m。利用光束传输因子（BPF）对理想光束通过补偿镜后的效果进行评价,结果表明通过三种补偿镜后BPF值从0.906提高到了0.966,0.971和0.957。进一步的计算表明,补偿效果受约束头尺寸的影响较小。     

变形镜受热变形引起的波前畸变仿真及补偿

针对变形镜自身受强激光辐照后热变形问题,利用ANSYS的多物理模型建立了变形镜的热机械模型并进行了计算。针对受强激光辐照后变形镜吸收了部分热量并产生了0.9μm的变形量,根据该变形镜热畸变分布特征,提出了一种利用补偿镜对热畸变进行补偿的方法,即在一个薄型镜面背后用一些约束头固定构成补偿镜,放置在变形镜的后续光路中。约束头在补偿镜上的位置与极头在变形镜上的位置对应错开分布。对三种不同形状约束头的补偿镜进行了计算,补偿后综合变形量降低到0.35,0.32和0.40μm。利用光束传输因子(BPF)对理想光束通过补偿镜后的效果进行评价,结果表明通过三种补偿镜后BPF值从0.906提高到了0.966,0.971和0.957。进一步的计算表明,补偿效果受约束头尺寸的影响较小。     

智能型多功能激光防护镜与自动探测告警复合装置

设计研制智能型多功能激光防护镜与自动探测告警一体化复合装置,主要用于各类激光辐射人眼损伤的防护和预警。对防护镜和探测告警系统及智能化复合防护技术进行研究和性能测试,利用防护镜与告警装置的信号互联和联动作用,使防护镜双镜复合,并发出告警信号。结果表明,当激光防护告警复合装置探测到激光入侵时均能以不同方式发出各种告警信号和复合防护响应,包括不同颜色灯光闪烁、音响和振动告警,驱使两个防护镜单元镜组复合,对532 nm、1 064 nm、470 nm、808 nm和700～2 000 nm特定波长激光和超连续谱激光进行有效防护,可通过无线信号互联实现集群联动告警和防护。该激光防护镜与探测告警复合装置具有智能化、模块化、多功能集成的特点,各项性能符合设计要求。     

HT-7U第一壁材料在HT-7装置中的辐照实验研究

把为HT-7U装置开发的系列碳基面对等离子体材料及其比对样品安装在样品架上，通过磁力传送机构送入HT-7装置刮削层中进行辐照实验研究。经过若干次等离子体放电实验后，取出样品进行表面形貌。表面元素成分及深度分布的X射线光电子能谱分析。结果发展，碳石墨材料的渗杂改性和抗等离子体溅射腐蚀的B4C/SiC梯度功能涂层可以有效地提高其抗待了子体轰击的能力。     

钛宝石飞秒激光器用色散补偿Gires-Tournois镜的研究

根据钛宝石飞秒激光器的色散补偿要求设计了单次反射平均补偿量为-60 fs²的GT(Gires-Tournois)镜,采用离子束辅助沉积技术结合光学监控技术制作了器件.用分光光度计对650—950 nm波段薄膜反射率进行测试,结果表明反射率测试曲线与设计曲线十分符合,同时利用白光干涉系统对群延迟色散进行了测试,测试结果与设计符合得很好,实际的色散曲线振荡基本控制在±20 fs²以内.应用该GT镜进行钛宝石飞秒激光系统的色散补偿,取得了很好的锁模效果,得到了29 fs的超短脉冲. 关键词： 色散补偿 钛宝石飞秒激光器 GT镜 离子束辅助沉积