等离子体窗密封性能实验研究

等离子体窗具有高真空密封性和良好的束流通过性,在电子束焊接、加速器等领域有很大的应用前景. 针对传统等离子体窗应用孔径小的问题,本文在优化的三阴极源基础上研究了通道直径为7 mm和8 mm等离子体窗的密封特性,以及Ar、He、H2三种等离子窗压降系数随输入电流和气流量的变化关系. 结果显示,在输入电流120~210 A、气流量1000~5000 sccm范围内,Ar等离子体窗的压降系数随输入电流、气流量的增加呈先上升后下降的变化趋势,He、H2等离子体窗的压降系数随输入电流的增加逐渐上升,但随着气流量的增加,He等离子体窗的压降系数先上升后下降,H2等离子体窗的压降系数逐渐下降. 本实验获得的等离子体窗最大压降系数为2550,可隔绝的最大高压为1 atm,与已报道文献相比具备较好的竞争优势,展现了良好的密封性,在未来加速器等领域有很大的应用潜力.     

高温及等离子体环境下液态锡与钨筛网的相容性研究

本文利用真空管式炉和四川大学直线等离子体与材料表面相互作用平台（SCU-PSI）, 探究了静态高温以及高密度氢等离子体环境下液态锡（Sn）对钨基多孔筛网结构（CPS）的润湿及腐蚀行为. 实验结果发现,在静态高温环境下液态Sn润湿钨筛网（4层150目）的阈值温度为950 ℃,且随着实验温度升高,润湿效果越好. 当实验温度达到1050 ℃时,在钨筛网表面观察到大量SnO2棒状结构. 这种棒状结构可能是由于管式炉中存在少量的氧气,在高温作用下Sn和氧气发生反应生成SnO2纳米晶. 当液态Sn-CPS结构进一步被离子通量为7.71×1022 m-2*s-1和热负荷为54.55 kW*m-2 的氢等离子体辐照时,钨筛网出现大面积断裂,形成丝状结构;而在没有液态Sn润湿的情况下,钨筛网表面没有出现类似损伤. 这可能是在高密度氢等离子体辐照作用下,氢等离子体与SnO2的协同作用加剧了钨筛网的损伤,造成了钨丝硬化断裂. 本文的实验结果为未来液态Sn-CPS在聚变装置中的实际应用提供了一定的参考.     

等离子体-气体渗透装置中静态液态锂-固态金属膜双层结构Li/Fe的氢渗透行为研究

在未来聚变堆中,氚透过第一壁的渗透和滞留行为是影响氚自持以及装置核安全的重要问题．针对这一问题,四川大学先进核能实验室自主设计了可以研究气体和等离子体驱动的氢同位素在静态/流动液态金属中渗透行为的装置．本文详细地介绍了该装置,并分别研究了在气体驱动和等离子体驱动这两种渗透机制下,氢透过静态双层渗透结构Li/Fe的渗透行为．从实验结果中发现,温度的升高会使得气体驱动的氢渗透通量升高,且到达稳态的时间缩短．ICP等离子体源功率增大,引起氢等离子体密度增大,也会使得等离子体驱动的氢渗透通量升高．气体驱动渗透到达稳态的时间远小于等离子体驱动渗透到达稳态的时间．本文还通过迟滞时间法计算得到了两种不同渗透驱动机制下氢原子在Li/Fe中的扩散系数．实验结果表明,该渗透装置可以较好地对氢同位素在液态金属中的渗透行为进行研究．     

氩等离子体与预辐照钨基Li-CPS结构相互作用研究

本文利用四川大学直线等离子体发生装置（SCU-PSI）研究了不同入射能量的氦（He）等离子体对钨筛网的辐照行为以及氩（Ar）等离子体与预辐照液态锂（Li）钨基多孔筛网结构（CPS）的相互作用．实验结果表明,在不同入射能量的He等离子体辐照后,钨筛网表面形貌出现明显的辐照损伤,并且随着入射能量增加,钨筛网初始平整的表面形貌逐渐变为纳米针孔结构,最终转变为纳米绒毛结构．用相同He等离子体参数辐照钨块材,发现钨筛网产生辐照损伤的阈值显著低于钨块材．利用Ar等离子体对预辐照的钨基Li-CPS结构进行辐照实验．结果显示,预辐照Li-CPS靶板Li液面非常不稳定,在表面形成Li液滴并喷射到等离子体内部．而且靶板表面温度异常升高,比不存在辐照损伤的钨基Li-CPS结构高400℃左右．之后对Ar等离子体辐照后的预辐照Li-CPS结构的表面形貌进行SEM分析,发现由于比表面积增加,使得钨筛网表面绒毛结构被液态Li腐蚀．     

高通量氢等离子体对CX-2002U碳复合材料的化学侵蚀研究

针对HL-2M偏滤器等离子体对碳材料的侵蚀问题,通过使用直线等离子体装置(SCU-PSI)模拟偏滤器的工况以探究高通量氢等离子体对CX-2002U碳纤维复合材料的侵蚀行为,从而为此材料能否用于HL-2M装置的偏滤器提供依据. 在通量恒定(1.48×1023 m-2s-1)的条件下,通过研究不同辐照时间下氢等离子体对样品的化学侵蚀发现,氢等离子体对样品的侵蚀是一个随时间周期变化的过程. 此外,通过在氢气中混入杂质气体探究了杂质对氢等离子体侵蚀样品的影响并发现,氢等离子体中的杂质通过侵蚀沉积在样品表面的碳颗粒以增强其对样品的侵蚀.     

Morphological and structural damage investigation of nanostructured molybdenum fuzzy surface after pulsed plasma bombardment

Steady high-flux helium (He) plasma with energy ranging from 50 eV to 90 eV is used to fabricate a fiber-form nanostructure called fuzz on a polycrystalline molybdenum (Mo) surface. Enhanced hydrogen (H) pulsed plasma in a wide power density range of 12 MW/m²-35 MW/m² is subsequently used to bombard the fuzzy Mo, thereby simulating the damage of edge localized mode (ELM) to fuzz. The comparisons of surface morphologies, crystalline structures, and optical reflectivity between the original Mo and the Mo treated with various He⁺ energy and transient power densities are performed. With the increase of He ion energy, the Mo nano-fuzz evolved density is enlarged due to the decrease of filament diameter and optical reflectivity. The fuzz-enhanced He release should be the consequence of crystalline growth and the lattice shrinkage inside the Mo-irradiated layers (~200 nm). The fuzz induced by lower energy experiences more severe melting damage and dust release under the condition of the identical transient H plasma-bombardment. The H and He are less likely to be trapped due to aggravated melting evidenced by the enhanced crystalline size and distinct lattice shrinkage. As the transient power density rises, the thermal effect is enhanced, thereby causing the fuzz melting loss to aggravate and finally to completely disappear when the power density exceeds 21 MW/m². Irreversible grain expansion results in huge tensile stress, leading to the observable brittle cracking. The effects of transient thermal load and He ion energy play a crucial role in etching Mo fuzz during ELM transient events.     

高通鸟笼线圈激发螺旋波等离子体特性研究

研制了高通鸟笼线圈,使用氩气作为工质气体对射频天线的工作性能进行了初步评估。利用COMSOL5.4模拟出了鸟笼天线在13.56MHz的工作频率下,电场和磁场呈线性极化分布。对鸟笼线圈进行了电路结构解剖,推导出了其谐振频率计算公式。利用热耦合红外测温仪测试了正常工作状态下的鸟笼线圈外表温度明显低于传统射频天线,电容器最高温度仅65.8°。使用光谱仪对螺旋波等离子体放电光谱特性进行诊断。通过朗缪尔探针诊断了不同压强和磁场强度下螺旋波等离子体密度,在1.0Pa、600Gs、射频功率700W条件下等离子体密度达到1.62×10¹⁸m^-3。诊断了正向功率和反向功率对应的等离子体密度,其与磁滞现象变化趋势雷同。测试了螺旋波等离子体的径向密度分布,其在轴心处密度达到最高。探究了无磁场条件下等离子体特性,其密度值不会发生大幅度跃迁,纵向磁场是引发螺旋波等离子体放电的关键因素,低压条件下有利于得到更低的电子温度,最低达到2.67eV。表明鸟笼线圈低热耗、高馈入的特性使其在激发大体积的高密度螺旋波等离子体方面具有明显优势,可以投入到下一阶段氢气螺旋波等离子体的激...     

液态金属催化裂解甲烷制氢动力学研究

液态金属催化甲烷热解是一种高效生产氢气且无二氧化碳排放的新兴技术.本文开发了一个液态金属裂解反应器催化甲烷热解的数值模型,在实验室自主搭建的液态金属制氢平台上得到的实验数据与模型预测结果吻合良好.该模型是基于甲烷在气液界面发生的催化热解、气泡内部发生的非催化热解过程和气泡上升过程中的流动行为,耦合了催化和非催化反应动力学和流体力学所建立的.使用气体体积流速、压力、气体成分、温度和液态金属性质(密度、黏度和表面张力)预测气泡尺寸和熔体中的气含率.该模型较好地预测了液态铜铋合金(Cu_0.45Bi_0.55)催化甲烷热解实验中不同温度、不同甲烷进气流量和液态金属高度下的甲烷转化率,得到了催化甲烷热解过程中的气含率、表观气体速率和压力沿液态金属高度的分布.实验数据与模型预测结果的高度吻合证明了模型的可靠性,该模型未来将有助于反应器优化和氢产率提高.     

金属铌表面Ar/O2等离子体在线清洗的实验研究

超导铌腔的碳氢污染问题导致铌表面的功函数下降, 引起场致发射, 使超导腔的加速梯度恶化, 运行一段时间后必须对其碳氢污染进行清洗才能保证正常使用. 针对众多清洗装置用等离子体清洗后无法对其清洗效果进行准确、及时地判断从而控制清洗截止点, 而采用离线测试又会造成一定的二次污染的问题,本文提出了基于静电四极等离子体(Electrostatic Quadrupole Plasma, EQP)质谱分析仪及开尔文探针的等离子体清洗及在线监测装置, 成功地将等离子体清洗与残余气体监测集成并投入使用. 实验过程中, 通过在线监测清洗的副产物及功函数的变化, 证明了电感耦合等离子体源产生的密度为1016~1017 m-3的氩、氧混合等离子体, 能有效清除铌样品表面的碳氢污染, 并对铌表面进行一定的氧化改性, 将功函数由4.0 eV提升至5.3 eV左右.     

螺旋型天线螺旋波等离子体特性研究

为提高等离子体密度和工质气体电离率,本文采用螺旋天线产生的螺旋波激励Ar等离子体,并利用射频补偿Langmuir探针分析了等离子体的离子密度和电子温度特征.试验结果表明,气压增加的同时,随着功率的升高,螺旋波等离子体出现放电模式转换,提前进入螺旋波放电模式.在1.0 Pa压强下,当射频功率达到400 W时,等离子体进入螺旋波放电模式,此时扩展区域的等离子体密度超过1×10¹⁸ m^-3.电子密度在放电管中心区域最高,并沿径向逐渐降低.本文的研究结果将为大体积H₂螺旋波等离子体提供依据和经验.