射频驱动频率对托卡马克装置辉光放电清洗特性的影响

HL-2M装置初始放电阶段,分别采用2.1 MHz,13.56 MHz和40.68 MHz三种频率的射频电源开展了射频-直流辉光放电清洗实验,研究射频驱动频率对放电清洗特性的影响。预加载功率1500 W时,2.1 MHz放电的击穿气压为2.0×10^(−1) Pa,13.56 MHz放电为5.6×10^(−1) Pa;而40.68 MHz叠加直流偏压后在9.2×10^(−1) Pa实现击穿。对三种频率辉光放电清洗实验过程中的残余气体成分进行监测,结果表明杂质产额由高到低为:2.1 MHz>40.68 MHz>13.56 MHz。由于低频放电具有较多的加热电子数,所以2.1 MHz放电的杂质产额最高。而虽然40.68 MHz放电的功率耦合效率最低,但由于具有高的等离子体密度,其杂质产额高于13.56 MHz。可见2.1 MHz的射频-直流辉光放电在HL-2M装置初始放电阶段具有最优的清洗特性。然而由于不同频率的功率耦合效率不同,同样会对清洗效率产生影响,因此下一步首先应解决阻抗匹配问题以提高耦合功率。

辉光放电清洗效果的质谱分析

在辉光放电清洗的实验研究中,应用质谱技术进行了出气分析,应用其结果对射频辉光放电清洗的效果进行评估。实验结果表明,质谱技术能准确地分析表面吸附气体的分压强,氦离子的轰击可去除以及置换出样品中的气体,氮气、氧气和油蒸气在辉光放电清洗后的出气量下降,有利于超高真空的获得和维持。

贫铀表面Ar气脉冲辉光放电清洗

贫铀极易氧化,为了提高其表面薄膜的结合性能,薄膜沉积前铀表面的辉光放电清洗是极为重要的。利用计算机模拟对Ar气脉冲辉光放电等离子体特性进行了研究,采用俄歇电子能谱仪(AES)对辉光放电清洗后铀表面化学元素进行了分析,同时对铀表面铝薄膜界面元素分布进行了深度剖析。结果表明:氩分压和脉冲电压是影响辉光放电等离子体特性的关键因素;脉冲电压和氩分压越高,辉光放电等离子体中Ar+密度越大;脉冲电压辉光放电清洗效果优于直流电压;在2.0Pa氩分压、-900V脉冲电压下,等离子体Ar+密度高达1.29×1014/m3,采用该参数对铀表面进行清洗可以获得洁净的表面,并有利于薄膜原子向铀基体内部迁移,促使膜基界面"伪扩散层"的增宽,从而增强铀表面薄膜的结合性能。

HL-1M 装置的氦辉光放电清洗的清除率研究

通过对ＨＬ－１Ｍ的氦直流辉光放电清洗（ＨｅＧＤＣ）的放电特点和清除效率的研究，发现环形真空室的对称性导致与阳极截面相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，严重影响辉光清除效率。提出采用多电极不对称阳极电位的辉光放电来提高清除效率。

HT-7托卡马克全金属壁及锂化条件下辉光放电清洗的研究

辉光放电清洗被广泛应用于聚变装置的壁处理,但是对于未来国际热核实验反应堆全金属壁条件下的实验运行,需要积累更多经验。HT-7托卡马克从2011年开始,采用全金属第一壁,包括钼限制器和不锈钢内衬,而且具有抑制杂质和降低再循环功能的锂化,也被HT-7用为常规的壁处理。研究发现,辉光放电清洗对于锂化金属壁同样具有杂质清除效果。全金属壁条件下,He辉光对于H,O,C的清除率分别达到4.2×1023,1.1×1022,2.4×1021atoms/h,锂化条件下,He辉光的清除率具有相似水平。此外,文章还研究了不同种类气体和壁温对于辉光效果的影响。先进超导托卡马克实验装置(EAST)不久也会采用钨偏滤器和钼第一壁,因此本文研究的内容对于全金属壁的EAST也同样具有重要意义。

辉光放电清洗在同步辐射光束线上的应用

同步辐射光束线上存在的碳污染是影响光束线特别是软X光束线传输效率的重要原因,污染的生成与镜箱腔壁上存在有少量的油有关。为了获得更加洁净的真空室,通过辉光放电对镜箱真空室壁进行清洗,力争从源头上减少光学元件碳污染的产生。设计并搭建了一套应用在同步辐射光束线镜箱上的辉光放电清洗系统,并研究了装置在不同真空度下辉光的伏安特性。利用四极质谱对辉光放电前后及过程中镜箱内的残气进行分析。研究得出,真空室表面残留油分子的初步裂解产物主要是分子量为69的粒子。通过辉光放电清洗,真空室内残存的微量油大分子的(分子量为39,41,43,55,57,69,71)减少幅度达到50%。辉光放电清洗对真空腔体内表面油分子有明显的去除效果。本文研究的内容对于减少光束线站特别是软X射线光束线上碳污染具有重要意义。

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-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行,满足设计需求。

铬及铍表面辉光放电清洗的研究

本文对He辉光放电清洗后的铬（Cr）表面杂质去除情况和铍（Be）样品真空出气量变化进行了实验研究。使用场发射扫描电镜和表面质量测量仪对比观察了不同放电参数处理后的Cr样品表面，结果显示在放电功率为200～300W、放电室压强为1～10Pa、清洗时间为10-20min时可较好地清除表面杂质和降低表面粗糙度；对辉光放电处理前后Be样品出气情况的实验对比结果显示，清洗后1h内总出气量约降为清洗前的1／6。

EAST装置磁场条件下的辉光放电清洗实验研究

开展了EAST装置磁场条件下的辉光放电清洗实验。对比和分析了有无磁场条件下辉光放电击穿气压的区别,结果表明放电击穿气压随着磁场强度增加而降低。对单个电极和多个电极磁场下的辉光放电清洗分别进行了研究。其结果显示磁场下放电主要发生在电极附近的壁表面,分散布置的多个电极可以实现整个外侧壁表面的清洗。此外辉光放电清洗适用不同磁场强度的运行环境,且清除率受磁场强度的影响很弱。

EAST辉光放电清洗电极的升级及实验研究

本文介绍了EAST装置辉光放电清洗电极的升级及实验研究。在常规的杆式辉光电极基础上,升级为具备主动水冷散热的板式电极,通过数值模拟和实验研究,证实新电极能满足辉光电流从3 A提升至6 A的散热需求,可长时间稳定运行。新电极在1000 V电压下的击穿气压略低于常规电极,提高He辉光运行电流,从而显著提升对氘(D)的清除率。使用常规的12 A(3 A×4个电极)辉光电流下对D的清除率为1.04×10^(23)atoms/h,电流提升一倍至24 A可将清除率提升至2.4倍(2.46×10^(23)atoms/h)。本文研究结果显示新升级的辉光电极能够稳定运行在6 A电流下,极大地提高了对D的清除率,为未来EAST托卡马克的实验运行提供了高效率的壁处理手段。

CFETR辉光放电清洗的均匀性研究

为研究壁表面离子流分布均匀性,设计高效率中国聚变工程实验堆辉光放电清洗(GDC)装置,采用流体模型对氦气辉光放电清洗进行等效二维模拟。阳极区域存在较强的局部电离,使得靠近阳极的第一壁受到更强烈的离子轰击;增加阳极电流该区域离子流密度显著增加,而放电清洗的均匀性并无提高;适当降低放电气压放电不均匀性得到较大改善;内壁电流密度略大于外壁电流密度,而电极径向位置对内外壁电流密度分布影响甚微。分析了阳极电流与电极数目的合理取值,给出了合适的放电气压范围。

低气压He/N_2混合气体的辉光放电数值模拟

针对低气压下含有少量氮气杂质(体积分数为10^(–6)~10^(–4))的氦气辉光放电特性进行研究,通过建立相应的二维流体模型,利用COMSOL有限元法数值求解了基本物理方程,得到了放电气隙击穿电压以及内部物理参量的空间分布,分析讨论了氮气杂质的含量对低气压下氦气辉光放电的影响。研究结果表明:随着杂质含量的升高,由于氮分子和氦亚稳态原子的彭宁电离过程降低了击穿电压,因此气隙维持电压降低,回路电流升高。并且由于彭宁电离为放电提供了较多电子,导致电子数密度升高、电场强度降低、电子温度降低。

间隙绝缘电极辉光放电实验观察

实验研究了ITER H_(2)/He辉光放电壁处理(GDC)系统的电极合理的间隙绝缘参数及标定辉光过程中沉积在电极头部的热负载。进行了H2/He击穿电压特性试验,在ITER GDC预期的壁离子电流密度条件下研究了H_(2)/He辉光放电电压和试验电极上热负荷与压强的关系、试验电极启辉耐受特性、试验电极温度与热负荷的关系以及在不同区域辉光放电的气压特性。介绍了H2/He放电期间在电极及其附近区域的溅射和沉积的检测结果以及对间隙绝缘的影响。为ITER辉光放电壁处理系统的设计和运行提供参考。

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。

EAST等离子体放电真空室暴露大气后的真空恢复研究

洁净的壁条件和良好的真空环境是托克马克装置运行的基本条件,但是真空室暴露大气后会在器壁表面吸附大量的杂质,如何快速恢复良好的真空环境以及壁条件是关系到托克马克运行效率和成本的一个关键问题。本文深入分析了EAST 2015年夏季实验期间真空室两次暴露大气后的壁处理对真空条件的恢复,结果显示水汽是真空室暴露大气后的主要杂质成分,直流辉光和离子回旋放电清洗与第一壁200℃烘烤同时进行能够有效地恢复真空。研究结果还发现暴露大气前的第一壁涂层处理会增强杂质的吸附,需要更长时间的壁处理才能够恢复较好的真空条件。

HL-2A装置器壁处理质谱分析

为了对HL-2A装置升级改造后的器壁处理效果展开分析,使用四极质谱计对HL-2A装置壁处理过程中或壁处理前后的残余气体进行了质谱测量。利用粒子平衡方程和质谱图变化分析了直流辉光放电清洗过程中的气体成分变化。研究了HL-2A装置壁处理的性能并优化了He+D_(2)-GDC的氦氘比例参数。结果表明:HL-2A装置真空室烘烤除气后,残余气体中H2O所占百分比由烘烤前的92%降至56%,真空室真空度达到2.2×10^(-5)Pa;在不同阶段利用H2-GDC、He-GDC、He+D_(2)-GDC进行壁处理消除了真空室内部件升级改造对壁处理造成的不利影响,保障了HL-2A装置等离子体放电实验的开展。

HL-1M的原位处理技术

介绍 Ｈ Ｌ－ １ Ｍ 托卡马克装置的壁处理技术。使用氦辉光放电清洗清除装置杂质和降低壁中氢含量，壁硼化和硅化技术以及原位沉积膜的原位清除。

GDC电极冷却水管喷涂工艺优化及评估

针对国际热核聚变实验堆(ITER)计划中直流辉光放电清洗(GDC)冷却水管的耐高压和热循环工况,在GDC水管上采用等离子喷涂技术制备了Al2O3陶瓷涂层,采用正交试验方法的极差分析和方差分析对等离子喷涂工艺进行了优化,得到了最佳工艺参数:电压60V、电流600A、喷涂距离100mm。在最佳工艺参数的条件下,对涂层进行了X射线衍射(XRD)分析和金相分析。结果表明,涂层表面99.9%以上的物相为Al2O3,涂层与基底结合紧密,测得涂层厚度为(324±11)μm,涂层整体厚度均匀。最后测试了涂层的耐电压能力,并对涂层进行了250次的室温至240℃热循环的试验,证明上述工艺可满足ITER苛刻工况的使用要求。

HL-2A装置真空系统

现代核聚变实验装置要求的真空系统必须实现以下主要功能：（1）装置真空室的零部件及总体抽空和检漏；（2）真空室的烘烤除气（H2O）；（3）辉光放电清洗和面对等离子体部件的锻炼及原位处理；（4）边缘粒子的抽运与控制；（5）等离子体放电实验运行。