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核科学技术论文_真空技术在托卡马克杂质控制

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文章目录

摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 热核聚变与托卡马克

1.2 托卡马克真空技术

1.3 托卡马克杂质问题

1.3.1 等离子体边界与偏滤器

1.3.2 等离子体与壁材料相互作用

1.3.3 等离子体中杂质的危害

1.4 本论文研究内容及结构

第2章 EAST托卡马克真空及相关诊断系统

2.1 EAST托卡马克

2.2 EAST真空室第一壁材料

2.3 EAST托卡马克真空系统

2.3.1 EAST真空抽气系统

2.3.2 EAST真空测量系统

2.3.3 EAST壁处理系统

2.3.3.1 高温烘烤壁处理

2.3.3.2 放电清洗壁处理

2.3.3.3 第一壁表面涂层

2.4 EAST边界粒子及杂质诊断

2.5 本章小结

第3章真空技术在氘清除率测量的研究

3.1 EAST氘清除率真空测量现状

3.2 新型高分辨率气体分析系统

3.2.1 系统设计与选型

3.2.2 系统离线标定实验

3.2.3 EAST氦放电的分压监测

3.3 先进氘氦分压真空质谱测量技术

3.3.1 实验准备

3.3.2 氘氦分压计算和标定结果

3.3.3 EAST氘清除率监测

3.4 本章小结

第4章真空壁处理在轻杂质控制的实验研究

4.1 托卡马克轻杂质来源

4.2 EAST真空泄漏后的壁条件恢复

4.2.1 真空泄漏及应急处理

4.2.2 真空恢复时杂质粒子清除率评估

4.2.3 常规放电对杂质粒子清除率

4.3 EAST真空泄漏后等离子体性能的恢复

4.3.1 等离子体脉冲长度变化

4.3.2 等离子体中杂质辐射演化

4.3.3 等离子体约束改善

4.4 本章小结

第5章真空壁处理对钨杂质源控制研究

5.1 材料溅射行为

5.2 EAST钨溅射杂质来源

5.3 真空壁处理对EAST钨溅射源控制研究

5.3.1 长期放电钨溅射监测

5.3.2 放电清洗控制钨溅射源

5.3.3 锂涂层抑制钨溅射行为

5.4 本章小结

第6章溅射实验平台上真空技术的集成应用

6.1 溅射实验平台研制背景

6.2 溅射实验平台总体设计

6.3 材料溅射实验平台硬件研制

6.3.1 等离子体源设计选型

6.3.2 真空系统设计

6.3.3 磁体系统设计

6.4 材料溅射实验平台运行实验

6.5 本章小结

第7章总结与展望

7.1 论文总结

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

文章摘要:托卡马克磁约束聚变装置中,真空技术的应用和发展为托卡马克各级真空室提供良好的真空环境及壁条件,满足等离子体放电与装置高效运行的需求。本论文围绕托卡马克真空技术的发展与应用,针对壁处理过程中氘粒子清除率测量,以及杂质粒子清除等托卡马克真空运行中的关键问题,开展了相互关联而深入的研究,取得了下列的研究成果。在托卡马克装置真空技术发展方面,利用SRS-RGA200质谱计在40 eV和70 eV两个电离能对氘氦电离几率不同的特性,实现在总压10-6～10-2 Pa范围内,对氘气含量1～100%的氘氦混合气体的进行区分和分压测量。新发展的质谱分辨技术成功应用于氦辉光放电清洗期间的氘清除率测量,获得了 4-12 A清洗电流下的氘清除率数据。该实验研究为托卡马克提供了一种适用于中真空到超高真空气压范围、经济高效的真空测量技术。在真空壁处理控制等离子体杂质方面,针对EAST装置真空泄漏后真空条件快速恢复问题,开展了真空表面清洗和表面涂层对粒子清除效果和杂质控制的实验研究。研究表明,通过高温烘烤和放电清洗累积清除壁上的水和氢杂质分别为39.9克和28.2克,使装置的本底真空达到3.0× 10-6 Pa。经过3天约1700秒等离子体锻炼和锂化涂层处理有效地缓解了等离子体与壁相互作用,氢氘比也被控制在0.2,稳定的等离子体放电脉冲也得以重新建立。同时,装置内引起钨溅射的碳杂质含量减少约80%,等离子体中钨含量降低了约60%,达到了从源头控制钨溅射的效果。实验结果表明了强有力的真空壁处理能够实现泄漏后等离子体放电快速恢复。该研究也加深了锂化涂层对杂质控制机制的理解,进一步证实了锂化对杂质控制的效果。最后,集成应用真空技术研制了一套能够与EAST并行交叉实验的溅射平台。利用真空抽气技术、真空测量技术、真空表面处理和真空涂层技术研制了该装置的等离子体源、诊断系统、抽气系统、壁处理系统和磁体等关键模块。该装置的运行实验结果表明,材料溅射实验平台具有参数调节灵活等优点,拥有10-5 Pa超高真空环境和0.63 T稳态强磁场的运行能力,等离子体密度1018～1020 m-3、电子温度1～10 eV,可以为聚变堆材料性能研究和发展高效真空壁处理技术提供科学研究平台。综上所述,真空粒子清除、真空测量、真空表面处理和真空涂层等先进真空技术在托卡马克杂质控制与清除研究中进行了有效的应用。本论文发展了燃料粒子清除、氘清除率测量的托卡马克真空技术,阐明了真空壁处理控制EAST装置杂质源的机制,为提高EAST托卡马克高参数、长脉冲等离子体的运行能力提供科学手段。

文章来源：《真空科学与技术学报》网址: http://www.zkkxyjsxb.cn/qikandaodu/2021/0818/884.html