CN112133165A - 一种直线等离子体实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种直线等离子体实验装置，包括等离子体源、等离子体源室、辅助加热室、靶室、材料分析交换室和送样单元，等离子体源室、辅助加热室、靶室和材料分析交换室均连接有分子泵；等离子体源、等离子体源室、辅助加热室和靶室的外部均设置磁体线圈；辅助加热室内设置天线，天线连接有加热电源，天线为能够允许等离子束穿过的环形，天线固定于辅助加热室的内壁上。本发明的直线等离子体实验装置，具备等离子体实验功能，在等离子体源室与靶室之间设置了辅助加热室，能够对等离子体源产生的等离子体进行二次加热，提供的环境能够充分研究等离子体在整个刮削层和偏滤器中的输运、脱靶、杂质注入和粒子再循环等物理过程。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体与器壁材料相互作用技术领域，特别是涉及一种直线等离子体实验装置。
背景技术
受控核聚变能有希望成为未来社会最主要的能量来源，托卡马克是最主要的受控核聚变装置。等离子体与器壁材料相互作用(PMI)是关系到托卡马克装置寿命、安全性和经济性的最关键问题之一。托卡马克偏滤器在长脉冲大功率放电过程中，芯部产生的能量和离子将最终沉积到偏滤器靶板，这些高通量粒子流/能流，对偏滤器的寿命带来严峻挑战。高能带电粒子会对器壁材料造成明显损伤，而其同粒子流协同作用，不仅加重了器壁的侵蚀，还会产生位错损伤，导致大量的氚滞留，从而降低了聚变反应堆的安全性和经济性。此外，溅射产生的杂质可能会输运到芯部并污染主等离子体，甚至导致放电中断。因此，PMI相关的科学问题亟待解决。
使用现有的托卡马克装置开展PMI相关研究存在一些弊端：(1)用托卡马克进行实验非常昂贵且耗时，并且由于其复杂的辐照参数，通常很难理解相关物理及开展深入分析；(2)现有的托卡马克不能获得时间量级为天的长脉冲稳态放电。(3)托卡马克不具备足够的灵活性，难以克服一些不确定因素，难以在各种所需实验条件下进行操作；(4)托卡马克边缘等离子体参数与聚变堆参数仍存在一定的差距。这些弊端限制了在托卡马克上对PMI相关问题开展深入研究。
利用直线等离子体实验装置对PMI等问题进行研究，与目前的托卡马克相比，具有以下几个优点:(1)长脉冲(数天)稳态放电；(2)粒子通量可达到托卡马克偏滤器的等离子体辐照剂量；(3)成本更低，更容易诊断；(4)工程设计和施工更简单。直线型等离子体实验装置已被应用于研究高粒子/热流辐照、材料的侵蚀和燃料滞留，研究取得了显著的成果。此外，它也可应用于研究具有开放磁场结构的刮削层和偏滤器物理。
目前，国内已经研制成功了几台直线型等离子体实验装置，用于PMI等问题的研究，并取得了一些成果，但是由于不能对等离子体进行辅助加热，等离子体温度等基本参数较低(1-5eV)，不具备刮削层和偏滤器等离子体环境，因此不能对相关物理问题进行全面研究。
因此，如何改变现有技术中，直线型等离子体实验装置无法实现对等离子体进行辅助加热的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种直线等离子体实验装置，以解决上述现有技术存在的问题，使实验装置能够对等离子体进行二次加热，为物理研究提供便利条件。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种直线等离子体实验装置，包括等离子体源、等离子体源室、辅助加热室、靶室、材料分析交换室和送样单元，所述等离子体源与所述等离子体源室相连，所述等离子体源能够产生等离子体束，等离子体束能够进入所述等离子体源室内，所述等离子体源室、所述辅助加热室和所述靶室顺次相连通，所述等离子体源设置于所述等离子体源室远离所述辅助加热室的一侧，所述送样单元与所述材料分析交换室相连通，所述材料分析交换室与所述靶室相连通，所述等离子体源室、所述辅助加热室、所述靶室和所述材料分析交换室均为真空腔室，所述等离子体源室、所述辅助加热室、所述靶室和所述材料分析交换室均连接有分子泵；所述等离子体源、所述等离子体源室、所述辅助加热室和所述靶室的外部均设置磁体线圈；所述辅助加热室内设置天线，所述天线连接有加热电源，所述天线为能够允许等离子束穿过的环形，所述天线固定于所述辅助加热室的内壁上。
优选地，所述天线与所述辅助加热室同轴设置，所述天线为空心圆柱状。
优选地，所述天线处还设置石英玻璃，所述石英玻璃为空心圆柱状，所述天线套装于所述石英玻璃的外部，所述天线与所述石英玻璃相抵接。
优选地，所述石英玻璃的长度较所述天线的长度长。
优选地，所述天线为分体式结构，所述天线包括两个相对设置的半环，两个所述半环之间具有间隙，所述半环的两端利用螺栓固定在陶瓷板上并与所述石英玻璃相连，所述半环还利用所述陶瓷板与所述辅助加热室的内壁相连。
优选地，所述加热电源连接有匹配器，所述匹配器利用同轴电缆与所述天线相连，所述同轴电缆穿过所述辅助加热室处设置法兰窗口。
优选地，所述的直线等离子体实验装置，还包括冷却系统，所述冷却系统包括冷却介质和循环管路，所述冷却介质能够沿所述循环管路循环流动，所述冷却系统能够为所述等离子体源室、所述辅助加热室、所述靶室、所述材料分析交换室、所述磁体线圈降温。
优选地，所述等离子体源室与所述辅助加热室之间、所述辅助加热室与所述靶室之间均设置截取锥，所述截取锥的开口较小一端朝向所述等离子体源设置。
优选地，所述靶室与所述材料分析交换室之间设置插板阀；所述等离子体源室与所述分子泵之间、所述辅助加热室与所述分子泵之间、所述靶室与所述分子泵之间、所述材料分析交换室与所述分子泵之间均设置阀门。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的直线等离子体实验装置，包括等离子体源、等离子体源室、辅助加热室、靶室、材料分析交换室和送样单元，等离子体源与等离子体源室相连，等离子体源能够产生等离子体束，等离子体束能够进入等离子体源室内，等离子体源室、辅助加热室和靶室顺次相连通，等离子体源设置于等离子体源室远离辅助加热室的一侧，送样单元与材料分析交换室相连通，材料分析交换室与靶室相连通，等离子体源室、辅助加热室、靶室和材料分析交换室均为真空腔室，等离子体源室、辅助加热室、靶室和材料分析交换室均连接有分子泵；等离子体源、等离子体源室、辅助加热室和靶室的外部均设置磁体线圈；辅助加热室内设置天线，天线连接有加热电源，天线为能够允许等离子束穿过的环形，天线固定于辅助加热室的内壁上。本发明的直线等离子体实验装置，具备等离子体实验功能，能够产生轴心磁场强度为3000高斯，磁场波纹度小于3％的高均匀度磁场，背景真空度可达10-4Pa，通过采用不同的等离子体源，能够模拟托卡马克中PMI和等离子体在偏滤器区域的行为。本发明在等离子体源室与靶室之间设置了辅助加热室，能够对等离子体源产生的等离子体进行二次加热，提供等离子体密度为1018-1020m-3，温度为1-30eV，束斑直径为10cm的典型刮削层和偏滤器等离子体环境。提供的环境能够充分研究等离子体在整个刮削层和偏滤器中的输运、脱靶、杂质注入和粒子再循环等物理过程。这使得该线性装置能够提供尽可能与托卡马克实际情况相接近的环境，在偏滤器物理研究中发挥着较大的优势，具有广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的直线等离子体实验装置的结构示意图；
图2为图1中部分结构的放大示意图；
图3为辅助加热室加热区域的“磁滩”磁场位形示意图；
图4为本发明的直线等离子体实验装置的天线以及石英玻璃的结构示意图；
图5为本发明的直线等离子体实验装置的部分结构示意图；
其中，1为等离子体源，2为等离子体源室，3为辅助加热室，4为靶室，5为材料分析交换室，6为送样单元，7为分子泵，8为磁体线圈，9为天线，10为加热电源，11为石英玻璃，12为半环，13为匹配器，14为法兰窗口，15为陶瓷板，16为截取锥，17为高场区，18为低场区，19为插板阀，20为同轴电缆。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种直线等离子体实验装置，以解决上述现有技术存在的问题，使实验装置能够对等离子体进行二次加热，为物理研究提供便利条件。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1-5，其中，图1为本发明的直线等离子体实验装置的结构示意图，图2为图1中部分结构的放大示意图，图3为辅助加热室加热区域的“磁滩”磁场位形示意图，图4为本发明的直线等离子体实验装置的天线以及石英玻璃的结构示意图，图5为本发明的直线等离子体实验装置的部分结构示意图。
本发明提供一种直线等离子体实验装置，包括等离子体源1、等离子体源室2、辅助加热室3、靶室4、材料分析交换室5和送样单元6，等离子体源1与等离子体源室2相连，等离子体源1能够产生等离子体束，等离子体束能够进入等离子体源室2内，等离子体源室2、辅助加热室3和靶室4顺次相连通，等离子体源1设置于等离子体源室2远离辅助加热室3的一侧，送样单元6与材料分析交换室5相连通，材料分析交换室5与靶室4相连通，等离子体源室2、辅助加热室3、靶室4和材料分析交换室5均为真空腔室，等离子体源室2、辅助加热室3、靶室4和材料分析交换室5均连接有分子泵7；等离子体源1、等离子体源室2、辅助加热室3和靶室4的外部均设置磁体线圈8；辅助加热室3内设置天线9，天线9连接有加热电源10，天线9为能够允许等离子束穿过的环形，天线9固定于辅助加热室3的内壁上。
等离子体源1包括六硼化镧阴极放电和螺旋波放电两种不同的等离子体源，能够满足不同的实验需求，能够分别用于研究材料的长时间辐照损伤，燃料滞留，偏滤器物理相关的实验研究。利用分子泵7，加以应用差分抽气，可产生10-4Pa的背景真空环境，并可以在放电实验过程中，将中性压降到0.01Pa，满足辅助加热实验的基本要求，分子泵7还能够保证材料分析交换室5的真空度，磁体线圈8能够产生磁场强度3000高斯，磁场波纹度小于3％的高均匀度强磁场。需要强调的是，本发明设置了辅助加热室3，辅助加热室3内设置天线9，天线9连接有加热电源10，天线9产生的电磁波同等离子体耦合，同离子发生共振，将能量传输给离子，达到加热离子的目的。另外，在本具体实施方式中，等离子体源室2和辅助加热室3的直径为400mm，靶室4的直径较大，为600mm。
还需要说明的是，通过采用离子回旋共振加热的方式对等离子体进行辅助加热，提高等离子体温度，离子辅助加热成功的关键是构建“磁滩”磁场位形，如图3所示，为“磁滩”磁场位形示意图，天线9发射的慢波从天线9处(高场区17)传播到共振加热区(低场区18)来加热离子，图3展示了构件“磁滩”磁场位形时，磁体线圈8的位置以及设置天线9处磁场强度、低场共振区磁场强度。除此之外，更低的中性压也有利于提升辅助加热效率。
在本具体实施方式中，天线9与辅助加热室3同轴设置，天线9为空心圆柱状，确保等离子体束能够顺利穿过辅助加热室3，保证实验顺利进行。
天线9处还设置石英玻璃11，石英玻璃11为空心圆柱状，天线9套装于石英玻璃11的外部，天线9与石英玻璃11相抵接，利用石英玻璃11能够避免天线9与等离子体直接接触，保护天线9，而且能够最大限度地提高等离子体束的能量吸收率。
为了进一步地避免天线9与等离子体接触，石英玻璃11的长度较天线9的长度长，在本具体实施方式中，天线9的半径和石英玻璃11的半径相匹配，天线9的长度为15cm，石英玻璃11的长度为18cm，天线9与石英玻璃11紧密贴合。
具体地，天线9为分体式结构，天线9包括两个相对设置的半环12，两个半环12之间具有间隙，半环12的两端由螺栓固定在陶瓷板15上与石英玻璃11形成一个整体，再由带槽口的陶瓷板15连接辅助加热室3的内壁，天线9采用无氧铜材质制成，两个半环12形成双半环型(DHT)天线9，电流从同一侧流经天线9，流经两个半环12的电流方向与磁场方向垂直。
更具体地，加热电源10连接有匹配器13，匹配器13利用同轴电缆20与天线9相连，同轴电缆20穿过辅助加热室3处设置法兰窗口14。加热电源10提供射频功率，天线9将射频功率以波的形式激发出去。匹配器13主要用于阻抗匹配，各部分之间通过同轴电缆20进行软连接，在本具体实施方式中，加热电源10的功率为50kW。此处需要强调的是，整个的真空腔室的侧壁上设置多个不同规格的法兰窗口14，以适应不同的需求，提高装置适应性。
直线等离子体实验装置，还包括冷却系统，冷却系统包括冷却介质和循环管路，冷却介质能够沿循环管路循环流动，冷却系统能够为等离子体源室2、辅助加热室3、靶室4、材料分析交换室5、磁体线圈8降温，以确保装置长时间稳态放电。磁体线圈8及加热电源10由去离子水冷却，其他各部件可由一般自来水进行冷却。通过采用去离子水对加热电源10进行循环冷却，可有效降低加热电源10运行时的温度，保证其工作时的高效性和安全性。除此之外，由于去离子水电导率更低，可以更大程度的降低漏电功率，保证实验安全性。
等离子体源室2与辅助加热室3之间、辅助加热室3与靶室4之间均设置截取锥16(skimmers)，截取锥16的开口较小一端朝向等离子体源1设置。为保证辅助加热效果，减小在辅助加热室3二次电离的发生，使得天线9能量最大限度的用于提高等离子体温度，需要在实验过程中保持低的中性压(0.01Pa)，以减少离子与中性粒子间的碰撞。为此，我们在等离子体源室2、辅助加热室3、靶室4之间用孔径为12cm的截取锥16隔开，设计使用三级差分抽气的方式抽真空，并在等离子体源室2、靶室4各安置一台分子泵7，在辅助加热室3安置两台分子泵7，保证辅助加热室3的中性压尽可能的低。
进一步地，靶室4与材料分析交换室5之间设置插板阀19；等离子体源室2与分子泵7之间、辅助加热室3与分子泵7之间、靶室4与分子泵7之间、材料分析交换室5与分子泵7之间均设置阀门，便于控制。
应用时，首先通过调节磁体线圈8的电流、间距等产生如图3所示的“磁滩”磁场位形，即安置天线9的位置的磁场强度(高场区17)要强于低场共振区的磁场强度(低场区18)。成功构建“磁滩”磁场位形是辅助加热取得成功的重要条件。通过等离子体源室2、辅助加热室3、靶室4以及衔接处的截取锥16，以应用三级差分抽气抽真空，通过分子泵7，在实验过程中，将中性压降到0.01Pa，极大地降低离子与中性粒子的碰撞，提升辅助加热效果。当磁场和真空调节完毕，打开等离子体源1(螺旋波等离子体源1)，使得直线等离子体装置开始放电，产生等离子体束。打开加热电源10，加热电源10提供的射频功率通过同轴电缆20传输到匹配器13与天线9，天线9安置在辅助加热室3中的法兰窗口14处，通过石英玻璃11以避免天线9与等离子体直接接触，保护天线9，而且可以最大限度地提高等离子体束的能量吸收率，法兰窗口14焊接在辅助加热室3腔体壁上。天线9安装在辅助加热室3内部，天线9的两端通过陶瓷板15与石英玻璃11形成一个整体并固定在真空的辅助加热室3内部。通过天线9激发与共振区离子回旋频率一致的射频波，耦合到等离子体并通过回旋共振被等离子体吸收，最终成功实现离子的加热。
本发明的直线等离子体实验装置，不仅能够模拟托卡马克中PMI和等离子体在偏滤器附近的行为，而且由于具有辅助加热室3，与其它部件相配合，能够提供密度为1018-1020m-3，温度为1-30eV的典型刮削层和偏滤器等离子体环境。这使得该装置所提供的实验环境与托卡马克实际情况接近，能够充分研究等离子体在整个刮削层和偏滤器中的输运、脱靶、杂质注入和粒子再循环等物理过程，在直线型等离子体实验装置领域具有很大的特色，会受到很大的关注。本发明在对整个刮削层和偏滤器物理进行研究等方面具有很大的应用价值，具有广泛的应用前景。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种直线等离子体实验装置，其特征在于：包括等离子体源、等离子体源室、辅助加热室、靶室、材料分析交换室和送样单元，所述等离子体源与所述等离子体源室相连，所述等离子体源能够产生等离子体束，等离子体束能够进入所述等离子体源室内，所述等离子体源室、所述辅助加热室和所述靶室顺次相连通，所述等离子体源设置于所述等离子体源室远离所述辅助加热室的一侧，所述送样单元与所述材料分析交换室相连通，所述材料分析交换室与所述靶室相连通，所述等离子体源室、所述辅助加热室、所述靶室和所述材料分析交换室均为真空腔室，所述等离子体源室、所述辅助加热室、所述靶室和所述材料分析交换室均连接有分子泵；所述等离子体源、所述等离子体源室、所述辅助加热室和所述靶室的外部均设置磁体线圈；所述辅助加热室内设置天线，所述天线连接有加热电源，所述天线为能够允许等离子束穿过的环形，所述天线固定于所述辅助加热室的内壁上。
2.根据权利要求1所述的直线等离子体实验装置，其特征在于：所述天线与所述辅助加热室同轴设置，所述天线为空心圆柱状。
3.根据权利要求2所述的直线等离子体实验装置，其特征在于：所述天线处还设置石英玻璃，所述石英玻璃为空心圆柱状，所述天线套装于所述石英玻璃的外部，所述天线与所述石英玻璃相抵接。
4.根据权利要求3所述的直线等离子体实验装置，其特征在于：所述石英玻璃的长度较所述天线的长度长。
5.根据权利要求3所述的直线等离子体实验装置，其特征在于：所述天线为分体式结构，所述天线包括两个相对设置的半环，两个所述半环之间具有间隙，所述半环的两端利用螺栓固定在陶瓷板上并与所述石英玻璃相连，所述半环还利用所述陶瓷板与所述辅助加热室的内壁相连。
6.根据权利要求1所述的直线等离子体实验装置，其特征在于：所述加热电源连接有匹配器，所述匹配器利用同轴电缆与所述天线相连，所述同轴电缆穿过所述辅助加热室处设置法兰窗口。
7.根据权利要求1所述的直线等离子体实验装置，其特征在于：还包括冷却系统，所述冷却系统包括冷却介质和循环管路，所述冷却介质能够沿所述循环管路循环流动，所述冷却系统能够为所述等离子体源室、所述辅助加热室、所述靶室、所述材料分析交换室、所述磁体线圈降温。
8.根据权利要求1所述的直线等离子体实验装置，其特征在于：所述等离子体源室与所述辅助加热室之间、所述辅助加热室与所述靶室之间均设置截取锥，所述截取锥的开口较小一端朝向所述等离子体源设置。
9.根据权利要求1所述的直线等离子体实验装置，其特征在于：所述靶室与所述材料分析交换室之间设置插板阀；所述等离子体源室与所述分子泵之间、所述辅助加热室与所述分子泵之间、所述靶室与所述分子泵之间、所述材料分析交换室与所述分子泵之间均设置阀门。
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