CN104772305B - 直流级联弧等离子体炬清洗托卡马克第一镜的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直流级联弧等离子体炬清洗托卡马克第一镜的装置，包括级联弧等离子体炬发生系统、冷却水供给系统、支撑系统和反射率检测系统，所述级联弧等离子体炬发生系统包括真空腔室、级联源、直流电源、真空单元、供气单元和冷却单元，所述级联源设置在真空腔室的一端，所述直流电源与级联源电连，所述供气单元与级联源通过管路连接，所述真空单元与真空腔室连接，所述冷却单元设置在级联源内。本发明直流级联弧等离子体炬清洗托卡马克第一镜的装置结构简单、合理、紧凑，该装置基于直流级联弧等离子体炬技术，能够在不引入杂质的前提下，实现对第一镜样品表面杂质沉积层的大面积均匀清洗，快速去除杂质沉积层。

Description

直流级联弧等离子体炬清洗托卡马克第一镜的装置

技术领域

本发明涉及磁约束核聚变技术，尤其涉及一种直流级联弧等离子体炬清洗托卡马克第一镜的装置。

背景技术

在磁约束核聚变实验研究中，托卡马克装置结构的复杂性使得等离子体某些部位不能直接被光学信号探测。这时，需要借助一些反射镜将光学探测信号传递给探测系统，这些反射镜就是第一镜。

在托卡马克装置放电的过程中除了产生上亿度的高温等离子体之外，还伴随着强烈的热流辐照、高能粒子辐照和各种射线辐射。同时，高温热流和高能粒子与聚变装置第一壁和偏滤器相互作用产生的尘埃杂质会沉积到第一镜表面，形成杂质沉积层，降低第一镜的工作性能。因此，在ITER设计中要求第一镜能够长时间在各种辐射下依然保持着良好的光学性能，即仍有高反射率，能够准确的传递工作参数。因此，实现对第一镜快速清洗有着重要的意义。

第一镜作为托卡马克装置中重要的光学诊断器件，需要高效快捷的方法对其进行清洗。同时在清洗的过程中不能引入新的杂质，并且保证第一镜本身的各项光学参数达到要求。传统的清洗方法诸如机械清洗，化学清洗可以有效地去除表面的油渍、锈迹等污染物。但是这些清洗方法都有着非常明显的缺点。机械清洗容易引起表面损伤，化学清洗容易造成二次污染，降低表面物理性能。显然，这些方法不适合用于托卡马克第一镜的清洗。与传统清洗方法相比，激光清洗是一种具有非接触式，去除小尺寸污染物颗粒，无残留物等优点的新型的清洗方法。但是激光清洗必须使激光功率密度介于清洗阈值与被清洗样品损伤阈值之间，这对清洗参数提出了较高的要求。同时，单次激光脉冲的清洗面积小，需用激光光束扫描样品表面，这就造成清洗不均匀，清洗速率也较低。

所以，亟待一种非接触式、无二次污染、清洗面积大、清洗速度快的托卡马克第一镜清洗装置。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有托卡马克第一镜的清洗效果不佳的问题，提出一种直流级联弧等离子体炬清洗托卡马克第一镜的装置，该装置结构基于直流级联弧等离子体炬技术，能够在不引入杂质的前提下，实现对第一镜样品表面杂质沉积层的大面积均匀清洗，快速去除杂质沉积层。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种直流级联弧等离子体炬清洗托卡马克第一镜的装置，包括级联弧等离子体炬发生系统、冷却水供给系统、支撑系统和反射率检测系统；

所述级联弧等离子体炬发生系统用于产生合适的直流级联弧等离子体炬，所述级联弧等离子体炬发生系统包括真空腔室、级联源、直流电源、真空单元、供气单元和冷却单元，所述级联源设置在真空腔室的一端，所述真空腔室为直流级联弧等离子体炬的发生提供所需真空环境；所述直流电源与级联源电连，为级联源提供高频引弧，击穿电离工作气体以及维持放电；所述供气单元与级联源通过管路连接，所述真空单元与真空腔室连接，所述冷却单元设置在级联源内；

所述支撑系统为设置在真空腔室内用于固定第一镜样品的支架，所述支架为水冷支架；所述支撑系统设置的位置能使级联源发射的直流级联弧等离子体炬照射在第一镜样品上；

所述冷却水供给系统分别通过管路与水冷支架和冷却单元连接；

所述反射率检测系统用于检测清洗之后的第一镜样品表面反射率恢复情况。所述反射率检测系统包括标准灯、光谱仪和计算机，所述真空腔室侧壁上设置有第一石英窗口和第二石英窗口，所述标准灯通过第一光纤发射的光能透过第一石英窗口照射到第一镜样品表面，光在第一镜样品表面反射后能透过第二石英窗口进入第二光纤，所述第二光纤与光谱仪连接，所述光谱仪与计算机电连。所述光谱仪检测的光谱信号由数据线传输至计算机，由计算机记录并保存该信号。

进一步地，所述级联源包括柱状阴极、阴极座、环状阳极和级联片单元，所述柱状阴极固定在阴极座上，阴极座起固定柱状阴极以及密封的作用。所述级联片单元设置在柱状阴极和环状阳极之间，所述级联片单元中心设置有小孔构成放电通道。

进一步地，所述级联片单元包括多个平行设置的级联片，所述级联片中心设置有小孔，构成放电通道。

进一步地，所述阴极座与级联片之间，所述相邻级联片之间，所述级联片与环状阳极之间设置有聚四氟乙烯片、O型密封圈和氮化硼片。所述阴极座与级联片，所述相邻级联片之间，所述级联片与环状阳极之间通过聚四氟乙烯片、O型密封圈和氮化硼片保持相互绝缘。

进一步地，所述冷却单元的冷却管路分别设置在阴极座、环状阳极和级联片内。

进一步地，所述真空单元包括真空泵组、真空蝶阀和真空规；所述真空规安装在真空腔室的外端，用于测量真空腔室的气压；所述真空泵组通过真空蝶阀与真空腔室相连，用于将真空腔室抽至放电所需真空条件，并且维持真空状态；真空蝶阀用于调节真空泵组的抽速以改变真空腔室内放电气压。

进一步地，所述供气单元包括气瓶、减压阀和质量流量计，带有减压阀的气瓶通过气管与级联源相连接，用来为级联源提供工作气体；所述质量流量计安装在气瓶与级联源之间，用于控制工作气体的流速。

进一步地，所述冷却水供给系统用于提供冷却水，所述冷却水供给系统包括冷却水槽、冷却水管和冷却水开关，所述冷却水槽分别通过冷却水管与水冷支架和冷却单元连接，所述冷却水管上设置有冷却水开关。

本发明所述第一镜如无特殊说明，均为托卡马克第一镜的简称。本发明所述级联源是级联弧等离子体(cascade arc plasma)源的简称。本发明所述级联片为高导热系数金属薄板，内部设有冷却水通道，中心有孔，构成放电通道。本发明直流级联弧等离子体炬清洗托卡马克第一镜的装置结构简单、科学、合理，与现有技术相比较具有以下优点：

(1)本发明所述装置采用能产生合适的直流级联弧等离子体炬的级联源为主要清洗装置。等离子体中存在着高能电子，离子，处于激发态的原子、分子、原子团(自由基)，分子解离反应过程中生成的辐射光线以及未反应的原子、分子等。等离子体清洗是利用等离子体中的能量粒子对表面辐照实现清洗(物理溅射)，或是利用其包含的自由基激发表面的化学反应实现清洗(化学刻蚀)。由于等离子体清洗具有非接触式、无二次污染、清洗面积大等优点，因此等离子体清洗可应用于托卡马克第一镜的清洗。

(2)本发明所述装置还包括反射率检测系统，使本装置一方面能大面积、均匀、快速去除第一镜表面的杂质沉积层，另一方面还能在线完成托卡马克第一镜反射率的检测。

(3)本发明所述装置可设置个性化清洗参数，实现对不同污染程度第一镜进行个性化清洗。本发明所述装置可以通过调节直流级联弧等离子体炬的直径够实现对不同面积第一镜均匀清洗。本装置还具有无杂质和方向性好的优点，在清洗的过程中不会对第一镜造成二次污染，并且能够实现对第一镜的长距离清洗。

(4)本发明所述装置采用的级联源结构简单，能通过机械手任意移动，为实现原位清洗托卡马克第一镜提供一种可行的清洗途径。

附图说明

图1为本发明直流级联弧等离子体炬清洗托卡马克第一镜的装置的结构示意图；

图2为级联源结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进一步说明：

实施例

本实施例公开了一种基于直流级联弧等离子体炬技术的直流级联弧等离子体炬清洗托卡马克第一镜的装置，如图1所示，包括直流级联弧等离子体炬发生系统(以氩等离子体炬为例)、支撑系统、冷却水供给系统和反射率检测系统。

所述直流级联弧等离子体炬发生系统用于产生合适的直流级联弧等离子体炬10，所述直流级联弧等离子体炬发生系统包括真空腔室1、级联源11、直流电源12、真空单元、供气单元和冷却单元。

所述级联源11设置在真空腔室1的一端，如图2所示，所述级联源包括柱状阴极25、阴极座24、环状阳极26和级联片单元27，所述环状阳极26设置在真空腔室1的一端；所述柱状阴极25固定在阴极座24上，阴极座24在固定柱状阴极25的同时还具有密封的作用(实现真空腔室1的密封)。所述级联片单元27设置在柱状阴极25和环状阳极26之间，所述级联片单元27中心设置有小孔构成放电通道。所述级联片单元27包括多个平行设置的级联片，所述级联片中心设置有小孔，构成放电通道。所述阴极座24与级联片之间，所述相邻级联片之间，所述级联片与环状阳极26之间设置有聚四氟乙烯片28、O型密封圈29和氮化硼片30；具体地，沿半径方向自内而外依次为氮化硼片30、O型密封圈29和聚四氟乙烯片28。所述阴极座与级联片之间，所述相邻级联片之间，所述级联片与环状阳极之间通过聚四氟乙烯片28、O型密封圈29和氮化硼片30保持相互绝缘。

所述真空腔室1为圆柱体形腔室，能为直流级联弧等离子体炬的发生提供所需真空环境；所述直流电源12与级联源11电连，为级联源11提供高频引弧，击穿电离工作气体以及维持放电，直流电源12可以调节放电电流大小，获得不同放电功率；

所述供气单元与级联源11通过管路连接，所述供气单元包括气瓶16(气瓶内的气体为纯度>99.999％的氩气)、减压阀17和质量流量计15，带有减压阀17的气瓶16通过气管14与级联源11相连接，通过气管14为级联源11提供工作气体；所述质量流量计15安装在气瓶16与级联源11之间，用于控制工作气体的流速，以获得不同直径、不同长度、不同等离子体温度，不同等离子体密度的直流级联弧等离子体炬10。

所述真空单元与真空腔室连接，所述真空单元包括真空泵组2以机械泵和罗茨泵为例)、真空蝶阀3和真空规18(以薄膜规和全量程规为例)；所述真空规18安装在真空腔室1的外端，用于测量真空腔室1的气压；真空泵组2通过真空蝶阀3与真空腔室1相连，用于将真空腔室1抽至放电所需真空条件(极限真空气压P≤1Pa)，并且维持真空状态；真空蝶阀3用于调节真空泵组2的抽速以改变真空腔室内放电气压，以获得不同直径、不同等离子体温度、不同等离子体密度的直流级联弧等离子体炬10；。

所述冷却单元设置在级联源11内；具体地，所述冷却单元的冷却管路设置在阴极座24、环状阳极26和级联片内。

所述支撑系统为设置在真空腔室内用于固定第一镜样品9的支架，所述支架为水冷支架8；所述支撑系统设置于能使级联源发射的直流级联弧等离子体炬照射在第一镜样品9上的位置；

所述冷却水供给系统分别通过管路与水冷支架8和冷却单元连接；

所述反射率检测系统用于检测清洗之后的第一镜样品表面反射率恢复情况。所述反射率检测系统包括标准灯19(以美国海洋光学公司DH-2000-CAL为例)、光谱仪21(以美国海洋光学公司LIBS2500+为例)和计算机23，所述真空腔室1侧壁上设置有第一石英窗口4和第二石英窗口31，所述标准灯19通过第一光纤20发射的光能透过第一石英窗口照射到第一镜样品9表面，光在第一镜样品表面反射后能透过第二石英窗口进入第二光纤32，所述第二光纤与光谱仪连接，所述光谱仪与计算机23电连。所述光谱仪21检测的光谱信号由数据线22传输至计算机23，由计算机记录并保存该信号。

所述冷却水供给系统用于提供冷却水，所述冷却水供给系统包括冷却水槽5、冷却水管7和冷却水开关6，所述冷却水槽5分别通过冷却水管7与水冷支架8和冷却单元连接，所述冷却水管7上设置有控制冷却水水流的冷却水开关6。

本实施例直流级联弧等离子体炬清洗托卡马克第一镜的装置的工作原理如下：

步骤A：预先用反射率检测系统测量标准灯19(以美国海洋光学公司DH-2000-CAL为例)的发射光谱以及清洗之前第一镜样品9的反射率。

步骤B：将第一镜样品9固定在水冷支架8上并将真空腔室1密封。

步骤C：相继打开真空泵组2(以机械泵和罗茨泵为例)和真空蝶阀3，将真空腔1室抽到所需真空并维持之(极限真空气压P≤1Pa)。打开冷却水开关6，为级联源11和水冷支架8提供水冷。打开气瓶16、减压阀17和质量流量计15，为级联源11提供工作气体(以纯度>99.999％的氩气为例)。通过质量流量计15调节工作气体(以纯度>99.999％的氩气为例)流速。完成级联弧等离子体炬放电的准备工作。

步骤C：打开直流电源12进行高频引弧，为级联源11的柱状阴极25和环状阳极26之间提供高压，将通入到级联源11的工作气体(以纯度>99.999％的氩气为例)击穿电离，形成等离子体。高频引弧结束之后，直流电源12维持稳定放电。等离子体形成之后，途经级联片组成的放电通道，由环状阳极26心喷口喷出，进入真空腔室1，形成直流级联弧等离子体炬10。

步骤D：直流级联弧等离子体炬10加载到第一镜样品9上，对其进行清洗。根据第一镜样品9的污染程度以及清洗状况，可以通过改变放电气压、调节放电电流，控制工作气体流速等方式改变清洗参数，实现对第一镜样品9的个性化清洗。

步骤E：清洗之后，检测第一镜样品表面反射率恢复情况。第一光纤20将标准灯(以美国海洋光学公司DH-2000-CAL为例)发出的检测光传输至第一石英窗口4，检测光透过第一石英窗口4照射到第一镜样品9表面后被反射，被第二光纤收集后传输至光谱仪21(以美国海洋光学公司LIBS2500+为例)，光谱仪21(以美国海洋光学公司LIBS2500+为例)接收反射光信号并将其由数据线22传至计算机23，由计算机23记录保存。根据计算机记录的反射光谱，与预先测定的发射光谱相比，即可得到清洗之后第一镜样品9表面的反射率。根据反射率恢复情况决定是否继续清洗。如果需要继续清洗，重复步骤C和步骤D，直至达到清洗要求。

本发明不局限于上述实施例所记载的直流级联弧等离子体炬清洗托卡马克第一镜的装置，其中级联源结构的改变、冷却单元结构的改变均在本发明的保护范围。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种直流级联弧等离子体炬清洗托卡马克第一镜的装置，其特征在于，包括级联弧等离子体炬发生系统、冷却水供给系统、支撑系统和反射率检测系统；所述装置设置个性化清洗参数，实现对不同污染程度第一镜进行个性化清洗，通过调节直流级联弧等离子体炬的直径实现对不同面积的第一镜均匀清洗，质量流量计用于控制工作气体的流速，蝶阀用于控制真空泵组的抽速，以获得不同直径、不同长度、不同等离子体温度、不同等离子体密度的直流级联弧等离子体炬；

所述级联弧等离子体炬发生系统包括真空腔室、级联源、直流电源、真空单元、供气单元和冷却单元，所述级联源设置在真空腔室的一端，所述直流电源与级联源电连，所述供气单元与级联源通过管路连接，所述真空单元与真空腔室连接，所述冷却单元设置在级联源内；所述级联源包括柱状阴极、阴极座、环状阳极和级联片单元，所述柱状阴极固定在阴极座上，所述级联片单元设置在柱状阴极和环状阳极之间，所述级联片单元中心设置有小孔构成的放电通道,所述级联片单元包括多个平行设置的级联片，所述级联片中心设置有小孔，构成放电通道,所述阴极座与级联片之间，相邻级联片之间，所述级联片与环状阳极之间设置有聚四氟乙烯片、O型密封圈和氮化硼片；

所述支撑系统为设置在真空腔室内用于固定第一镜样品的支架，所述支架为水冷支架；所述支撑系统设置的位置能使级联源发射的直流级联弧等离子体炬照射在第一镜样品上；

所述冷却水供给系统分别通过管路与水冷支架和冷却单元连接；

所述反射率检测系统包括标准灯、光谱仪和计算机，所述真空腔室侧壁上设置有第一石英窗口和第二石英窗口，所述标准灯通过第一光纤发射的光能透过第一石英窗口照射到第一镜样品表面，光在第一镜样品表面反射后能透过第二石英窗口进入第二光纤，所述第二光纤与光谱仪连接，所述光谱仪与计算机电连，所述第一光纤将所述标准灯发出的检测光传输至所述第一石英窗口，所述检测光透过所述第一石英窗口照射到所述第一镜样品表面后被反射，被所述第二光纤收集后传输至所述光谱仪，所述光谱仪接收反射光信号并将其由数据线传至计算机，由所述计算机记录保存，根据所述计算机记录的反射光谱，与预先测定的发射光谱相比，即可得到清洗之后所述第一镜样品表面的反射率，根据反射率恢复情况决定是否继续清洗。

2.根据权利要求1所述直流级联弧等离子体炬清洗托卡马克第一镜的装置，其特征在于，所述冷却单元的冷却管路分别设置在阴极座、环状阳极和级联片内。

3.根据权利要求1所述直流级联弧等离子体炬清洗托卡马克第一镜的装置，其特征在于，所述真空单元包括真空泵组、真空蝶阀和真空规；所述真空规安装在真空腔室的外端；所述真空泵组通过真空蝶阀与真空腔室相连。

4.根据权利要求1所述直流级联弧等离子体炬清洗托卡马克第一镜的装置，其特征在于，所述供气单元包括气瓶、减压阀和质量流量计，带有减压阀的气瓶通过气管与级联源相连接；所述质量流量计安装在气瓶与级联源之间。

5.根据权利要求1所述直流级联弧等离子体炬清洗托卡马克第一镜的装置，其特征在于，冷却水供给系统包括冷却水槽、冷却水管和冷却水开关，所述冷却水槽分别通过冷却水管与水冷支架和冷却单元连接，所述冷却水管上设置有冷却水开关。