论文部分内容阅读
在托卡马克运行过程中,面对等离子体材料(Plasma-Facing Material, PFM)会受到来自芯部等离子体的稳态/瞬态热流和粒子流的冲击,发生一系列等离子体与壁材料相互作用(Plasma Wall Interaction, PWI)过程,导致燃料滞留、杂质产生、起泡、共沉积等问题。而能否解决这些问题,是决定未来ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)计划成功与否最为关键的因素之一。直线等离子体装置可以产生具有托卡马克边缘等离子体参数的稳态/瞬态等离子体束流,用其产生的等离子体束轰击PFM样品,可以模拟研究托卡马克PWI过程,是进行PWI模拟实验研究的主要途径。然而受到诊断手段的制约,PWI的原位诊断研究具有相当大的挑战。因此,发展PFM元素成分原位诊断技术用于直线等离子体装置以及托卡马克装置是急需解决的关键问题之一。PFM表面的元素成分的实时原位的获得,对理解PWI过程、揭示PWI机理、提出PFM优化方案具有非常重要的意义。针对上述问题,本论文发展了激光诱导击穿光谱(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIB S)原位壁诊断技术,用于直线等离子体装置Magnum-PSI、 DUT-PSI以及托卡马克聚变装置EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)中PFM样品元素成分的原位诊断,并研究了PWI过程中的燃料滞留、杂质产生、锂化共沉积等关键科学问题。具体内容如下：在第二章中,介绍了在Magnum-PS I直线等离子体装置上建立的LIBS原位PFM诊断系统,可在10-7 mbar背景气压下,获得PFM元素高时空分辨LIBS光谱信号。该套LIBS系统的成功建立是国际上首次将LIBS用于大型直线等离子体实验装置。利用Magnum-PSI装置产生的高通量氘等离子体(1024 m-2s-1),结合原位LIBS 技术,研究了不同剂量氘等离子体辐照后的纯钨、锂化钨、原始石墨瓦、锂化石墨瓦的氘滞留和元素分布性质,发现锂对钨表面起泡具有明显的抑制作用。实验表明,在1.9 1025m-2剂量的氘等离子体辐照下,锂化钨中氘的信号强度明显高于纯钨材料中氘的信号强度,这主要是由锂与氘的化学反应导致的强烈的化学吸附造成的；随着氘等离子体辐照剂量增加至6.210 25 m-2,纯钨和锂化钨的样品都出现明显的氘滞留饱和现象。LIBS深度分析结果表明,锂、氘、氢信号随深度的增加而降低,钨信号随深度先加强后达到稳定值；氘等离子体辐照可使锂再沉积过程与溅射过程达到平衡。X射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)离线分析结果表明,LIBS与XPS获得的各元素的分布结果一致。通过对锂化钨样品的LIBS激光烧蚀坑的分析,发现激光烧蚀后,氘等离子体辐照使锂发生了显著的再沉积现象。在第三章中,介绍了低气压直流级联弧等离子体束装置(DUT-PSI)的建立；利用发射光谱二维等离子体参数诊断系统,对氩/氮激波状态等离子体束激波区的发光强度、电子温度、振动温度和转动温度同时进行了测量。结果表明,在激波状态等离子体的压缩区,等离子体发光强度较高、电子温度较低、振动温度和转动温度较高。各温度具有明显的差异,说明低气压等离子体束处于显著的非平衡状态。经过对DUT-PSI电极结构优化升级后,该装置可产生具有类偏滤器区域等离子体参数的低温高密度等离子体束,电子温度为1-1.2 eV、电子密度可达210 14 cm-3,可用于模拟研究钨的锂化等PWI相关过程。结合原位LIBS元素化学成像系统,研究了锂化钨材料及其杂质元素在样品表面三维分布特性。研究表明锂化钨样品表面的锂、氢、氧和氩元素分布具有相似的趋势,在锂信号强度高的区域,氢、氧、氩元素的信号强度也高,但与其它元素如钨的分布不同。通过离线XPS能谱分析,佐证了LIBS化学成像的分析结果,并对激光烧蚀区、锂化钨表面等不同位置的元素化学态进行了分析。在第四章中,通过对2012年EAST实验周期的偏滤器石墨瓦(该瓦共经历了5621次放电,总放电时间超过50000 s)进行离线LIBS分析,发现氘在EAST偏滤器石墨瓦上的滞留主要是通过锂-氘共沉积层引起的。氘的滞留比例(D/(D+H))随着深度先增加,随后稳定在0.17左右,该值可以反映出EAST放电时在该偏滤器瓦处的氘滞留比例。针对EAST内的低气压真空环境,研究了LIBS等离子体收集区域对LIBS信号采集的影响。对碳、硅、钼等常见PFM样品元素进行空间分辨LIBS分析,发现由于脉冲激光烧蚀等离子体的轫致辐射、复合以及真空环境下等离子体超声膨胀过程,碳、硅、钼的信号强度从激光烧蚀等离子体的中心到边缘先升高后下降,并研究了激光光斑尺寸和能量对LIBS信号的影响。本章另一部分重点论述了如何在EAST托卡马克上建立原位LIBS壁诊断系统。通过合理利用两个预留法兰接口、优化光路设计,实现了国际上首次将LIBS技术与具有偏滤器位型的全超导托卡马克相结合,可对EAST高场侧中平面1212cm2范围的第一壁进行三维LIBS元素分析。在2014年EAST实验周期中,使用LIBS实现了对壁表面元素变化的原位测量,成功获得了EAST壁表面的锂、钼、氘、氢、钨、镧、钛、硅、钠等元素信号；测定EAST在经过两次45 g的锂坩埚蒸发壁处理、锂弹丸注入实验以及194炮放电后,锂沉积层的厚度从4.0 μm增加到了9.0 μm；并获得了钼第一壁上的氘滞留比例(D/(H+D))在61%-64%之间。