EAST超导托卡马克装置真空室壁处理的研究

壁处理技术被广泛应用于托卡马克装置上,以降低装置本底杂质水平,改善器壁的再循环.自2008年起,EAST面向等离子体的第一壁采用全碳材料,由于特殊的石墨晶体多孔结构,具有高放气率以及对H₂O,H₂等杂质气体的高吸附性,从而使等离子体放电前期的装置真空室壁处理尤为关键.本文介绍了EAST装置真空室壁处理的实验系统,并研究了装置烘烤与不同工作气体及工作参数下的直流辉光放电清洗对杂质粒子的清除效果.实验结果表明:EAST装置真空室在经过长时问的前期壁处理后,显著地降低了真空室内壁的出气率与本底杂质浓度,这对随后进行的等离子体放电实验非常有必要.     

HL—1M托卡马克装置的DC辉光放电清洗

本文简要叙述了ＨＬ－１Ｍ的ＤＣ辉光放电清洗技术和放电结果。实验表明，类似ＨＬ－１Ｍ托卡马克装置的真空室，经过烘烤，Ｔａｙｌｏｒ放电和ＤＣ放电清洗后，有可能得到高品质的等离子体。     

HL-2M 装置初始等离子体放电阶段的直流辉光放电清洗系统研制

基于 HL-2M 托卡马克初始等离子体放电的工程需求,设计并研制了直流辉光放电清洗系统,包括电 极、馈线、电源、控制以及监测等关键部件和辅助子系统。研制完成后开展了系统装配和工程调试,并投入到首 次等离子体放电。实验结果表明,该直流辉光放电系统运行稳定、可靠,且此辉光放电清洗显著降低了真空室本 底杂质浓度,能满足 HL-2M 装置初始等离子体放电的壁条件需求。     

HL-2A托卡马克装置真空系统

介绍了HL 2A装置真空系统研制。它由真空主抽气系统、抽气偏滤器、直流辉光放电清洗系统组成。主抽气系统提供了装置真空室从大气到高真空、烘烤除气、直流辉光放电清洗所需要的抽气能力。抽气偏滤器初步实现了托卡马克放电过程中边缘粒子的抽运与控制;直流辉光放电清洗系统保证了装置良好的真空器壁条件。介绍了这些系统的初步运行情况,并给出了其测试结果。HL 2A装置首轮物理实验运行时真空室极限真空度达到4.6×10-6Pa,12h总漏放气率为1.8×10-5Pa·m3·s-1。     

HL-1M装置氦辉光放电清洗的清除率研究

通过对ＨＬ－１Ｍ装置的氦直流辉光放电清洗（Ｈｅ－ＧＤＣ）的放电特点和清除率的研究，发现环形真空室的对称性导致与阳极截面对称的区域的场强很弱，使其阴极位降区的厚度远大于氦离子的平均自由程，严重影响清除率，因此提出采用多电极不对称阳极电位的辉光放电来提高清除率；同时发现，辉光放电清洗使氢分压比托卡马克放电的送氢压强低一个量级以上，才能重复进行好的有辅助加料的托卡马克放电。     

氦、氢直流辉光清洗对杂质的清除实验

直流辉光放电清洗在现代聚变装置上应用非常广泛,如JT－60U,JET,TFTR等。HL－1M装置是单层真空室结构,其材料为00Cr18Ni10Ti不锈钢和石墨孔栏,石墨覆盖整个真空室内壁表面的6％,使用2套超高真空机组抽气。因此真空室内可能有金属杂质Cr,Ni等,主要来源于器壁;还含有杂质Si,B等,主要来源于器壁的原位沉积处理,如硅化[直流辉光放电清洗（GDC）（SiH4 He)],硼化[GDC(C2B10H12 He)]等。而目前运行的聚变装置中主要是来源于石墨的低Z杂质（C和O等）,对第一壁进行He、H2、H2O等。由此可知,真空室器壁内表层的吸附物大致为金属氧化物、非金属氧化物、碳氢化合物、氢氧化合物等,为了更好地控制密度和真空壁条件达到清除其杂质的目的,我们分别用He,H2对真空室器壁进行直流辉光放电清洗。     

H_2辉光放电清洗时轰击器壁的离子能量测量与分析

一、引言 辉光放电是清洗锻炼环流器真空室器壁的有效手段。H_2辉光放电时,氢离子轰击器壁与器壁中的C和O发生化学反应,生成CH_4,H_2O等气体;同时,这些离子提供能量使得吸附在器壁表面的杂质气体脱附,从而被泵出真空室外,达到清洗锻炼的目的。由于辉光放电时,离子轰击的能量较高,会引起一定的溅射沉积。我们在模拟真空室(六通装置)进行了辉光放电,对各种参数下的离子能量进行了测量,从中找出了离子能量与极间电压(阳极与器壁之间的电压)、放电电流、以及气压、离子流密度之间的某些关系。     

HL—M装置氦辉光放电清洗的清除率研究

通过对ＨＬ－１Ｍ装置的氦直流辉光放电清洗（Ｈｅ－ＧＤＣ）的放电特点和清除率的研究，发现环形真空室的对称性导致与阳性截面对称的区域的场强很弱，使其阴极位降区的厚度大于氦离子的平均自由程，严重影响清除率，因此提出了要用多电极不对称阳极电位的辉光放电来提高清除率，同时发现，辉光放电清洗使氢分压比托马克放电的送氢代压强代一个量级上，才能重复进行好的有辅助加料的托卡马放电。     

HL-1工程联调中真空室的放电清洗

HL-1托卡马克装置工程联调时,内真空系统经200℃60小时烘烤和7万次脉冲放电清洗,接着作了124次低参数托卡马克放电。在环向磁场为15kG下获得了60kA的等离子体电流,等离子体存在时达85ms,本文总结分析了HL-1工程联调期间真空系统的烘烤、真空室的放电清洗技术及效果。     

托卡马克增强约束态的排氦研究

由于氦在当前托卡马克放电实验和将来D－T聚变反应堆中的特殊作用,通常将氦和其它杂质分开来研究。首先,几乎现有的托卡马克装置都采用氦辉光放电清洗（He-GDC)作为常规壁处理技术。这个技术能有效地清除壁材料表面的氧和排空吸附在壁／孔栏中的氢。He-GDC后氦作为剩余气体留在真空室将继续影响等离子体放电。它不仅直接贡献电子,而且引起壁中的氢解吸,导致增强的壁加料,在HL－1装置的喷氦实验表明,电子密度衰减时间常数τp=τp(1-R)是喷氢的3倍（式中,τp是粒子约束时间,R是氢再循环系数）;对于同样的密度,送入气体的量仅为喷氢的1／5,有利于当前有高密度实验。但另一方面,从长远的观点看,排氦又是磁约束D－T聚变反应堆设计的一个重要问题。热化的α粒子所谓氦灰,作为D－T聚变反应的产物必须从系统中除去,否则,燃料将被累积的氦稀释引起氦中毒。下一代稳态托卡马克,如国际热核实验堆（ITER）设计成在增强约束态下运行。Reiter估计必须在7－15倍能量约束时间内（τHe/τE<7-15)把新产生的氦离子除去,使等离子体芯部的氦浓度保持在10％以下,才能维持堆的连续运行。     

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介绍射频辉光放电等离子体改善苎麻织物毛细效应的时效性的实验。分别在充入氩气、氮气、氧气的真空室中对苎麻织物进行射频辉光放电等离子体处理,在每一种处理过程中分别改变其处理时间、放电功率和真空室压强。测试了放置不同时间的经不同等离子体参数处理后的苎麻织物的毛细效应,得出各种参数的等离子体处理对苎麻织物毛细效应时效性的影响。实验结果表明,苎麻织物被等离子体离子体处理后毛细效应得到明显改善,其毛细效应随放置时间的变化为先快速下降,然后变缓,逐渐趋于稳定,这种毛细效应的改善具有良好的时效性,其中100W、40Pa的氧等离子体处理20分钟后的苎麻织物的毛细效应时效性最好。     

大气压射流等离子体放电特性及其灭菌效果

 介绍了一种同轴电极的射流等离子体发生装置,可以直接在大气中将生成的氦气辉光放电射流等离子体喷出进行杀菌消毒,无需反应容器和真空系统,并从电压、频率、流速等方面讨论了该同轴等离子体发生器的放电特性。在稳定的放电条件下,利用实验装置进行了大气压下的等离子体灭菌实验,验证了本装置在等离子体灭菌应用上的可行性和易操作性。灭菌结果表明：在最初的2 min内,细菌减小趋势明显,3 min后细菌几乎全部消亡。     

实验研究射频辉光放电改善苎麻织物毛细效应的时效性

介绍射频辉光放电等离子体改善苎麻织物毛细效应的时效性的实验。分别在充入氩气、氮气、氧气的真空室中对苎麻织物进行射频辉光放电等离子体处理,在每一种处理过程中分别改变其处理时间、放电功率和真空室压强。测试了放置不同时间的经不同等离子体参数处理后的苎麻织物的毛细效应,得出各种参数的等离子体处理对苎麻织物毛细效应时效性的影响。实验结果表明,苎麻织物被等离子体离子体处理后毛细效应得到明显改善,其毛细效应随放置时间的变化为先快速下降,然后变缓,逐渐趋于稳定,这种毛细效应的改善具有良好的时效性,其中100W、40Pa的氧等离子体处理20分钟后的苎麻织物的毛细效应时效性最好。     

HL-2M初始等离子体放电阶段的辉光放电清洗系统电极的设计与分析

针对HL-2M装置初始等离子体放电阶段所需的直流辉光放电清洗系统的电极进行了设计.对辉光放电清洗系统在不同工况下的系统负载进行了分析和拟定,并确定了电极结构设计分析标准.根据系统电极的结构特点并结合系统负载规范与分析标准,依据不同的失效模式对电极进行了失效分析.分析结果表明,此针对初始等离子体放电的电极设计能可靠安全运...     

亚辉光放电在HL—1装置的应用

本文简述亚辉光放电在HL-1装置上的应用。实验表明,这是一种安全、简便有效的清洗和碳化手段,它可以弥补磁控清洗放电和碳化的不足之处,并为HL-1M装置器壁锻炼提供了先行试验。     

N2交流辉光放电等离子体喷束的光谱测量及特性研究

建立了一套交流放电产生N2等离子体喷束的装置,该装置可对氮气进行高达15 kV连续放电.采用浓度调制光谱技术对放电辉光光谱进行探测,并对实验中放电电流和光谱信号的关系进行了讨论.沿着束流的轴向探测了不同位置N2等离子体的发射光谱,发现其激发态振动温度随着束流的下降先降低继而升高,并根据实验条件分析了其变化规律和产生机理.研究了束流中N2 /N2比例变化过程,发现随着束流向下两者比例逐渐升高,并结合实验装置进行讨论.     

电弧及辉光微等离子体大气压取样的发射光谱研究

在线化学分析需要实现开放环境下的样品取样和电离/激发。相比于激光切削或者激光诱导击穿,大气压微等离子体系统结构简单,更利于小型化。因而基于大气压微等离子体的在线化学分析技术引起行业的广泛关注。为了确定合适的微等离子体源进行样品的在线元素检测,需要进一步了解各放电模式及工作参数下微等离子体的自身特性以及取样效果。该工作主要研究了电弧及辉光放电微等离子体在大气压下对样品铁取样发射光谱的特性。实现了在开放环境下对高熔点金属样品的在线检测,并发现电弧放电微等离子体与光谱分析源联用具有更高的取样效率。高采样效率的电弧放电微等离子体源为实现金属及难解离样品的检测提供了一种新的方法。同时,相较于传统的取样装置,避免了复杂的样品制备、样品传输过程。实验装置采取简单的针对板放电结构,分别利用高压脉冲电源、直流电源获得电弧放电和辉光放电。实验的结果表明,在放电功率近似相等的条件下,电弧放电产生的微等离子体对样品铁取样的光学发射谱中,样品元素的特征谱线占据主导地位,同时伴随有空气中氮气的谱线,而且铁离子(FeⅡ)谱线的相对强度显著高于氮气分子谱线的相对强度。而在直流辉光放电中,样品铁原子(FeⅠ)谱线相对强度非常不明显。由此说明,电弧放电产生的微等离子体具有更高的采样效率。放电在样品表面留下的溅射坑也得出了相同的结论。增加辉光放电电流到25 mA,发现样品元素铁的谱线仍然没有明显的增强。同时,也研究了采样间距对两种采样模式的影响。实验结果表明,间距对两种模式的采样光谱没有显著的影响。采用主要成分为铝的合金铝箔进行了上述对比实验,得出相同的结论,即电弧放电微等离子体更适合作为光谱分析源来实现对金属样品的实时快速检测。     

脉冲放电射流辅助射频辉光放电研究

通过实验研究了脉冲放电射流辅助下大气压氦气射频辉光放电的电学和光学特性。采用组合电极结构,在射频放电前段增加脉冲电极,脉冲放电产生的射流以等离子体子弹形式注入射频放电区域,主要研究脉冲射流辅助射频放电的电流电压曲线、最低放电维持电压、放电强度和空间结构时空分布。研究结果表明:等离子体子弹经过射频放电区域后,由于等离子体子弹引入的活性粒子,会使射频放电区域等离子体强度增强;而射频放电最低维持电压也从0.93 kV降低至0.43 kV。     

轰击阴极的重粒子能量分布

采用蒙特卡罗模拟对氮辉光放电等离子体中轰击极阴的重粒子（N2^ ,N^ ,Nf及N2f）能量分布随放电参数的变化规律进行了研究。结果表明：阴极臂前诸粒子的能量分布取决于粒子被加速的能量和碰撞频率,能量较低的快原子Nf的密度比高能粒子N^ 的密度最近两个量级。在活性氮粒子（N^ ,Nf）产率最高的放电条件下,适当降低放电气压,提高阴极位降和气体温度,有利于两种活性氮粒子（N^ ,Nf）达到阴极。     

等离子体处理的聚丙烯和聚乙烯的粘合体

采用射频辉光放电等离子体和介质阻挡放电等离子体对聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）进行处理后,使用聚氨酯进行粘接,并测试了混合粘合体的剪切强度。介质阻挡放电功率是100 W时,等离子体处理对混合粘合体的剪切强度无影响。介质阻挡放电的功率为200 W、处理时间20 s时,等离子体处理效果最佳,剪切强度为1.58 MPa,是未处理的混合粘合体的14.36倍。介质阻挡放电的功率是300 W时,样品在10 s内就被击穿。射频辉光放电等离子体中,使用空气处理后最大剪切强度为1.60 MPa（100 W,3 min）,使用氮气处理后的最大剪切强度为1.57 MPa（200 W,3 min）。通过扫描电镜（SEM）对等离子体处理前后的PP表面形貌观察,发现未处理样品的表面比较平滑,而经等离子体放电处理后的样品表面变得疏松,出现了大量泡状物质,表面粗糙程度提高。