托卡马克第一壁辉光放电清洗的研究及相关实验平台的构建

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等离子与材料相互作用严重影响托卡马克装置中等离子体的放电运行。不同方式的壁处理,能够有效减少第一壁中的杂质和降低氢的再循环,从而提高等离子体性能。本文围绕辉光放电清洗这一应用最广泛的壁处理方法,进行了深入细致的实验研究。  在HT-7托卡马克金属壁及锂化条件下,进行了He辉光放电清洗和D2辉光放电清洗的相关实验研究,比较了He辉光放电清洗和D2辉光放电清洗的不同之处,分别计算了它们对C,H,O杂质的清除率。通过对每一次清洗过程中不同杂质的分压的监测,发现杂质分压随着放电清洗的进行,逐步降低到相对稳定的水平。同时还研究了装置锂化之后的辉光放电清洗,并同未锂化的金属壁条件下的辉光清洗进行了详细比较。  由于托卡马克装置上的辉光实验以及样品安装等都受到了装置运行的种种限制,难以对辉光放电清洗进行深入的实验研究。因此建立了一个专门用于辉光放电清洗研究的实验平台,实验模拟托卡马克装置中的放电清洗条件,以进行相关的深入研究。论文首先对辉光放电的物理过程进行了探讨,指出由于阴极鞘层的作用,可以使正离子获得数百电子伏(eV)能量并轰击阴极材料表面。然后介绍了辉光实验平台部分子系统的设计,包括充气系统,样品输送机构,差分质谱系统等。在完成实验平台的设计安装之后,进行了气压-功率特性,电流-杂质分压特性,击穿气压等相关测试。此外还利用样品进行了初步处理测试,测试结果表明,构建的辉光放电清洗实验平台,满足辉光放电特性深入研究以及样品处理和分析的需要。  在等离子体与壁表面相互作用(Plasma-Surface Interaction,PSI)相关研究中,热脱附谱TDS(Thermal Desorption Spectroscopy)系统是一种重要的实验设备和研究方法。通过TDS测量,可以得到样品中不同杂质成分的含量和吸附能,这对于分析材料表面杂质吸附特性和氢同位素滞留特性具有非常重要的意义。同时TDS具有的程序可控升温为研究烘烤对气体的解吸研究提供了便利。因此构建TDS系统对于开展相关实验研究很有价值。论文中首先介绍了TDS的原理及部分子系统的设计,然后对TDS系统的本底进行了程序升温测试,再放入样品进行测试,结果表明构建的TDS系统性能良好,满足样品分析的需要。  氢及其同位素在第一壁中的滞留和再循环会对等离子体的放电运行参数产生重要影响,氚在未来聚变堆材料中的滞留量更是关系到装置的运行安全。钨被用作EAST和ITER的偏滤器材料,因此研究氢及其同位素在钨材料中的滞留特性和清除研究具有重要价值。在完成辉光实验平台和TDS系统两个实验设备的构建之后,我们利用D2辉光放电作为离子源,在钨材料中植入D,然后取出样品放入TDS系统测试,得到了钨中D滞留的特性和滞留的总量。然后对于同样滞留D的钨样品分别进行He、H2辉光放电清洗处理和不同温度的烘烤处理,以研究不同方式对D的清除效果,期待为未来装置中T的清除积累经验。
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