CN106501290A - 一种用于研究核聚变材料腐蚀沉积的辐照样品支架 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于研究核聚变材料腐蚀沉积的辐照样品支架，包括有支架底座和固定压板，支架底座呈三棱柱形且截面为等腰三角形，支架底座的两个相同侧面为左右对称的离子侧和电子侧表面，支架底座的离子侧和电子侧表面上分别开有方形槽，方形槽中匹配安装有固定压板，固定压板上开设有用来匹配安装样品A和样品B的两个台阶孔，样品A和样品B的底端分别设有台阶；支架底座的离子侧和电子侧表面上位于方形槽的正下方分别开有用于测量样品A和样品B处的等离子体参数的探针孔，支架底座上还设有用于与样品架连接的连接孔。本发明可增大样品腐蚀量，利用探针测得边界等离子体参数，结合RBS分析方法精确测算样品腐蚀沉积速率及分布。
Description
技术领域
本发明属于核聚变领域，具体涉及一种用于研究材料腐蚀沉积的辐照样品支架。
背景技术
面向等离子体材料（plasma facing material，PFM）是实现核聚变的关键问题之一。在托卡马克装置中，PFM直接面对高温等离子体，其服役条件非常苛刻，且易与等离子体发生相互作用，发生改性。等离子体与壁材料相互作用（plasma wall interaction, PWI）的主要机制是壁材料表面的溅射，蒸发，吸附/脱附等，研究方向为材料的腐蚀，沉积，杂质迁移，滞留等。其中，材料的腐蚀与沉积颇受关注，原因有四：第一， 壁材料的腐蚀会严重影响其使用寿命；第二，腐蚀材料产生的杂质可以输运进入芯部等离子体，导致聚变燃料的稀释以及能量辐射损失，从而降低核聚变反应发生的概率；第三，腐蚀的材料粒子可能再次沉积到壁表面上，改变壁材料表面的组分和性质。第四，燃料粒子会与杂质粒子共同沉积在材料表面，形成共沉积层。
PWI的研究方法主要是将实验样品放入核聚变实验装置里，进行原位及事后分析。事后分析是在进行了一段时间的等离子体辐照实验后取出实验样品，直接对样品进行分析，数据相比原位分析较为直接可靠，与其相关的实验一般分为短周期实验和长周期实验。长周期实验一般通过直接选取第一壁或偏滤器靶板的瓦块，在整轮等离子体辐照实验之后取出，再进行分析。由于整轮实验中等离子体放电次数很多，放电参数各不相同，等离子体边界条件大不一样，及等离子体破裂等情况，给研究边界等离子体对材料的腐蚀沉积等行为的物理机制带来困难。而短周期实验一般通过核聚变实验装置的窗口，利用样品传送杆将样品送入等离子体边界区域，接受给定炮数及条件的等离子体辐照后，再撤回样品传送杆取出样品，可更深层次地探究等离子体条件影响材料的腐蚀沉积等行为的物理机制。
事后分析方法通常有扫描电子显微（scanning electron microscopy，SEM），核反应分析法（nuclear reaction analysis，NRA），卢瑟福背散射谱法（rutherfordbackscattering spectroscopy，RBS）等。利用RBS来测量材料腐蚀厚度的方法近年才被开发出来。该方法可得出壁材料的总腐蚀厚度和净腐蚀厚度，前者是壁材料被腐蚀掉的厚度，后者是壁材料被腐蚀的厚度与其表面沉积厚度之差。在此之前，一般利用光谱法来测量材料的总腐蚀速率，即由测量溅射杂质的原子谱线的强度转变得出粒子流速率，其得出的数据不确定性大。而RBS方法可精确测量抛光衬底上镀膜材料的厚度，并通过测量镀膜材料辐照前后的厚度，及未镀膜区域辐照后所沉积的镀膜材料厚度研究镀膜材料腐蚀沉积的机理。RBS方法通过测量计算镀膜材料辐照前后的厚度差异得出净腐蚀厚度；测量未镀膜区域辐照后膜材料厚度为再沉积厚度。同时，若镀膜区域足够小，辐照后镀膜区域沉积相对于腐蚀便可忽略不计，则可用净腐蚀厚度表征总腐蚀厚度。该方法相对于光谱法测得的总腐蚀速率更为准确。
RBS方法要求对短周期实验样品进行事后分析，实验样品尺寸形状不仅受到实验目的的限制，也受到事后分析手段的限制，如上海复旦大学现代物理所的RBS装置，要求样品尺寸最大约为50 mm×25 mm×4 mm。而EAST材料测试平台Material and PlasmaEvaluation System（MAPES）虽然可直接开展短周期材料腐蚀沉积实验，但无法满足RBS分析手段对样品尺寸的要求；且MAPES位于EAST装置中平面位置，辐照样品与磁力线夹角非常小，短周期腐蚀效果不明显，因此，亟需一种可解决以上问题的材料腐蚀沉积实验样品支架。
发明内容
本发明的目的是解决短周期实验腐蚀效果不明显、等离子体参数不明确、样品尺寸无法满足事后分析RBS手段的要求等问题，提供一种可通过探针测量等离子体参数，并安装小尺寸样品的辐照样品支架，满足短周期材料腐蚀沉积实验对实验条件和事后分析的要求。
本发明采用的技术方案是：
一种用于研究核聚变材料腐蚀沉积的辐照样品支架，其特征在于：包括有支架底座和固定压板，支架底座前端呈三棱柱形且截面为等腰三角形，支架底座的两个相同侧面为左右对称的离子侧和电子侧表面，支架底座的离子侧和电子侧表面上分别开有方形槽，方形槽中匹配安装有固定压板，固定压板上开设有用来匹配安装样品A和样品B的两个台阶孔，样品A和样品B的底端分别设有台阶；支架底座的离子侧和电子侧表面上位于方形槽的正下方分别开有用于测量样品A和样品B处的等离子体参数的探针孔，支架底座上还设有用于与样品架连接的连接孔。
所述的一种用于研究核聚变材料腐蚀沉积的辐照样品支架，其特征在于：所述样品A和样品B表面同时留有镀膜区和非镀膜区，镀膜区域位于表面中心，样品A镀膜面积大于1cm2，样品B镀膜面积约小于1 mm2，样品A用于表征材料的净腐蚀速率，样品B用于表征材料的总腐蚀速率。因为小于1mm2情况下，再沉积效果可以忽略，所以样品B的腐蚀速率可以表征为该膜材料在对应等离子体参数条件下的总腐蚀速率，而样品A的腐蚀速率可以表征该膜材料在对应等离子体参数条件下的净腐蚀速率。
所述的一种用于研究核聚变材料腐蚀沉积的辐照样品支架，其特征在于：所述的样品A和样品B的镀膜区镀膜材料为需要在托卡马克核聚变实验装置内进行实验并需要事后分析的面向等离子体材料。
所述的一种用于研究核聚变材料腐蚀沉积的辐照样品支架，其特征在于：所述的面向等离子体材料为石墨、钼或钨。
所述的一种用于研究核聚变材料腐蚀沉积的辐照样品支架，其特征在于：所述探针孔用于安装朗缪尔探针，分别测得离子侧和电子侧的等离子体参数。
支架底座前端做成三棱柱形，可以形成两个左右对称的可安装样品的面向等离子体的面，增大入射角，从而增大腐蚀量。
本发明的优点是：
本发明可增大样品腐蚀量，利用探针测得边界等离子体参数，结合RBS分析方法精确测算样品腐蚀沉积速率及分布。
附图说明
图1为本发明中辐照样品支架的结构示意图。
图2为辐照样品支架的俯视图。
图3为固定压板形状示意图。
其中，1.支架底座；2.固定压板；3.样品A；4.样品B；5.方形槽；6. 探针孔；7. 连接孔。
具体实施方式
如图1所示，一种用于研究核聚变材料腐蚀沉积的辐照样品支架，包括有支架底座1和固定压板2，支架底座1呈三棱柱形且截面为等腰三角形，支架底座的两个相同侧面为左右对称的离子侧和电子侧表面，支架底座1的离子侧和电子侧表面上分别开有方形槽5，方形槽5中匹配安装有固定压板2，固定压板2上开设有用来匹配安装样品A3和样品B4的两个台阶孔，样品A3和样品B4的底端分别设有台阶；支架底座1的离子侧和电子侧表面上位于方形槽5的正下方分别开有用于测量样品A3和样品B4处的等离子体参数的探针孔6，支架底座1上还设有用于与样品架连接的连接孔7，辐照样品支架通过连接孔7与样品架用螺栓连接，辐照实验开始前通过样品传送杆将辐照样品支架，样品及探针送入托卡马克装置刮削层区域接受给定炮数及条件的等离子体辐照，辐照期间记录等离子体参数信息，辐照结束后，收回样品传送杆并取出样品，进行RBS分析。
如图2所示，支架底座1前端做成三棱柱形，可以形成两个左右对称的可安装样品的面向等离子体的面，增大入射角，从而增大腐蚀量。三棱柱形前端截面等腰三角形底角大小视实验要求而定。
如图3所示，固定压板2为开有两个台阶孔的方形板，台阶孔与样品匹配，固定压板2表面与样品表面位于同一高度。固定压板2还可根据实验具体要求设计成其他结构，并不局限。
如图1所示，样品A3和样品B4，衬底表面膜的材料即为所研究的面向等离子体材料，材质可为石墨，钼，钨等各种需要在托卡马克核聚变实验装置内进行实验并需要事后分析的材料。
如图1所示，样品A3和样品B4表面同时留有镀膜区和非镀膜区，镀膜区域位于表面中心，样品A3镀膜面积大于1 cm2；样品B4镀膜面积约小于1 mm2。样品B4用于表征材料的总腐蚀速率，样品A3用于表征材料的净腐蚀速率。因为小于1mm2情况下，再沉积效果可以忽略，所以样品B4腐蚀速率可以表征该材料在对应等离子体参数条件下的总腐蚀速率，而镀膜面积大于1cm2的样品A3的腐蚀速率可以表征该材料在对应等离子体参数条件下的净腐蚀速率。
探针可以安装在探针孔6内，通过电缆与探针电源及探针数据采集设备相连。辐照实验开始前即可通电采集边界等离子体参数信息。
Claims (5)
1.一种用于研究核聚变材料腐蚀沉积的辐照样品支架，其特征在于：包括有支架底座和固定压板，支架底座前端呈三棱柱形且截面为等腰三角形，支架底座的两个相同侧面为左右对称的离子侧和电子侧表面，支架底座的离子侧和电子侧表面上分别开有方形槽，方形槽中匹配安装有固定压板，固定压板上开设有用来匹配安装样品A和样品B的两个台阶孔，样品A和样品B的底端分别设有台阶；支架底座的离子侧和电子侧表面上位于方形槽的正下方分别开有用于测量样品A和样品B处的等离子体参数的探针孔，支架底座上还设有用于与样品架连接的连接孔。
2.如权利要求1所述的一种用于研究核聚变材料腐蚀沉积的辐照样品支架，其特征在于：所述样品A和样品B表面同时留有镀膜区和非镀膜区，镀膜区域位于表面中心，样品A镀膜面积大于1cm2，样品B镀膜面积约小于1 mm2，样品A用于表征材料的净腐蚀速率，样品B用于表征材料的总腐蚀速率。
3.如权利要求2所述的一种用于研究核聚变材料腐蚀沉积的辐照样品支架，其特征在于：所述的样品A和样品B的镀膜区镀膜材料为需要在托卡马克核聚变实验装置内进行实验并需要事后分析的面向等离子体材料。
4.如权利要求3所述的一种用于研究核聚变材料腐蚀沉积的辐照样品支架，其特征在于：所述的面向等离子体材料为石墨、钼或钨。
5.如权利要求1所述的一种用于研究核聚变材料腐蚀沉积的辐照样品支架，其特征在于：所述探针孔用于安装朗缪尔探针，分别测得离子侧和电子侧的等离子体参数。
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| Sakai et al. | Ejection of energetic 7* Li ions produced in 10 B (n, α) 7* Li reaction from boron coated silicon wafer |
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|---|---|---|---|
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