CN113913778B - 一种用于聚变装置的在线表面涂覆硅化壁处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于聚变领域真空技术，具体涉及一种用于聚变装置的在线表面涂覆硅化壁处理方法。采用氘硅烷和氦气的混合气体作为硅化壁处理的工作气体，真空室上布置注入点，利用压电晶体阀送气，其采用脉冲工作模式，送气脉冲时刻位于HL‑2A装置等离子体运行的平顶段300ms‑1800ms。氘硅烷‑氦气混合气进入真空室后，沿径向运动到刮削层区后，在等离子体的作用下，在真空室内壁沉积形成硅化壁。本方法形成的硅化膜对氧气具有很强的吸附性，能实时减少真空室中的氧杂质，优化器壁条件从而提高等离子体运行参数。
Description
技术领域
本发明属于聚变领域真空技术，具体涉及一种用于聚变装置的在线硅烷送气表面涂覆壁处理方法。
背景技术
杂质抑制是托卡马克装置运行的重要课题。目前的托卡马克装置需要通过第一壁锻炼限制等离子体中的杂质，获得高品质的等离子体。常用的壁处理方法有器壁清洗技术(直流辉光)和第一壁表面涂覆技术(硅化、锂化)。其中，硅化通常采用预先等离子体辅助气相沉积的方式进行。实验证明，采用硅化壁处理方法使得聚变装置的碳和氧杂质明显降低，辐射功率损失也明显减少。所以，硅化壁处理对于现代以及未来的聚变装置都是值得重视的壁处理方法。
而未来的聚变装置，如ITER、CFETR等，具有长脉冲稳态的运行模式。长脉冲稳态运行的聚变装置，由于长时间的运行和高温，在运行期间会产生更多的杂质和燃料气体滞留，如果不及时处理，极有可能导致稳态运行中断。然而，辉光放电清洗无法在强磁场下运行，而预先涂覆的薄膜也很快被侵蚀或覆盖。因此稳态运行阶段的实时器壁处理非常必要。在线的器壁表面涂覆方法可以实现实时的壁处理，对未来的长脉冲聚变装置有着现实而深远的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于聚变装置的在线表面涂覆硅化壁处理方法，能够在等离子体运行期间向器壁表面注入硅烷气体进行硅化壁处理，为核聚变装置等离子体稳态运行创造优化的壁条件。
本发明的技术方案如下：
一种用于聚变装置的在线表面涂覆硅化壁处理方法，包括如下步骤：
步骤1)、气源准备
采用氘硅烷和氦气的混合气体作为硅化壁处理的工作气体；
步骤2)、真空室上布置注入点
步骤3)、注入点上安装送气管路，送气管路上安装压电晶体阀，使压电晶体阀采用脉冲工作模式；
步骤4)、在等离子体运行的平顶段送气，采用脉冲送气向真空室内注入工作气体；
步骤5)、氘硅烷-氦气混合气进入真空室后，沿径向运动到刮削层区后，在等离子体的作用下，在真空室内壁沉积形成硅化壁。
所述的氘硅烷和氦气的混合气体为体积浓度10-20％vol的氘硅烷和体积浓度90-80％vol氦气组成的混合气体。
所述的步骤1)中的工作气体存储与稳压器中，所述的稳压器的体积8-12L，压力控制在0.2-0.3MPa。
所述的步骤2)中，沿着真空室的环向均匀布置2-8个注入点。
所述的注入点在真空室的弱场侧和强场侧对称均匀布置。
所述的注入点在在偏滤器主要刻蚀区环向均匀布置。
所述的注入点位于弱场侧的中平面位置，沿真空室环向均匀布置。
所述的压电晶体阀为PEV-1压电晶体阀，其工作电压0-100V，流量范围0-525sccm。
所述的步骤4)中，送气的单个脉冲宽度为5ms～20ms，注入脉冲的间隔为50-100ms。
所述的步骤5)中，氘硅烷-氦气混合气进入真空室后引起氘硅烷离解、电离，产生SiDx +，x＝0,1,2,3系列组分，使其沿着磁力线在环向和极向方向运动，形成非晶硅薄膜。
本发明的显著效果如下：在等离子体运行期间进行在线硅化壁处理，可以作为未来长脉冲稳态运行的聚变装置的一种实时壁处理手段。形成的硅化膜对氧气具有很强的吸附性，能实时减少真空室中的氧杂质，优化器壁条件从而提高等离子体运行参数。在HL-2A装置(中国环流器二号A装置)的实验结果显示，当氘硅烷-氦气混合气注入等离子体时，光谱诊断观察到明显的硅谱线，即氘硅烷气体被有效电离。同时氧谱峰有所降低，即在注入过程中氧杂质得到抑制。
附图说明
图1为用于聚变装置的在线表面涂覆硅化壁处理方法原理示意图；
图2为等离子体放电期间注入硅烷脉冲示意图；
图中：1.稳压罐；2.送气管路；3.压电晶体阀；4.控制电源；5.真空室；6.主等离子体区；7.刮削层区。
具体实施方式
下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1所示，稳压罐1内装有工作气体，通过压电晶体阀3和送气管路2向真空室5内送入工作气体。
真空室5内形成主等离子体区6和刮削层区7，主等离子体区6外部为刮削层3。
在等离子体运行期间，通过稳压器1向真空室2内注入氘硅烷和氦气的混合气体，进行在线表面涂覆硅化壁处理，在HL-2A装置等离子体放电欧姆加热阶段实施，为核聚变装置等离子体稳态运行创造优化的壁条件。其中的压电晶体阀3与电源4连接，电源4基于等离子体放电时序设置输出送气脉冲时刻、脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲个数。
在线硅烷送气表面涂覆壁处理的步骤如下：
1)气源准备
托卡马克实验的主等离子体2为氘气，硅烷对于主等离子体而言是杂质气体，其含量过高很容易导致等离子体破裂。
采用氘硅烷和氦气的混合气体作为硅化壁处理的工作气体即气源，能更好的保证成功率。
本实施例中采用10-20％vol(体积浓度)氘硅烷和90-80％vol氦气的混合气体可以形成稳定的等离子体，其存储在稳压罐1内，压力控制在02-03MPa。
2)真空室不同位置布置多个注入点
由于真空室5的体积较大，从某个位置注入的硅烷气体行程有限，因而镀膜范围有限。在条件允许的情况下，沿着真空室环向均匀布置多个注入点能获得更高的镀膜效率。
可以在弱场侧和强场侧对称均匀的布置4个注入点，可以进一步提高极向镀膜的均匀性；
也可以在偏滤器主要刻蚀区环向均匀布置4个注入点，可以重点对偏滤器刻蚀区进行镀膜。
由于真空室体积较大，硅粒子运动行程有限，环向镀膜范围有限，因此在条件允许的情况下，沿着真空室环向均匀布置多个注入点能获得更高的镀膜效率和更好的环向均匀性。
3)气源注入
利用上述稳压罐1，通过送气管路2连接到HL-2A装置的真空室5，通过注入点向真空室内送气。
直接注气法是托卡马克装置上最简单、有效而便捷的补气方法，其注入深度较浅，气体比较容易进入刮削层。注入气体时，保证气体进入等离子体边缘区域而非进入等离子体芯部，不对正常等离子体造成干扰；
直接注入法通常采用压电晶体阀来控制注入流量，它在磁场环境下性能稳定，非常适用于聚变装置气体的快速注入。
注入点对应的送气管路2上安装压电晶体阀3(PEV-1)，压电晶体阀工作电压0-100V，流量范围0-525sccm，采用脉冲工作模式。
压电晶体阀有脉冲送气和连续送气两种工作模式，由于硅烷属于等离子体放电过程中送入的杂质气体，如果含量过高很容易导致等离子体破裂，所以硅烷的注入采用脉冲形式。
4)设置送气工作模式和参数
送气脉冲时刻位于HL-2A装置等离子体运行的平顶段300ms-1800ms之间，避开辅助加热阶段、H模运行阶段。
单个脉冲宽度5ms～20ms，等离子体运行没有发生破裂，光谱诊断分析可以观测到硅元素。根据等离子体实验的要求，在一次等离子体放电过程施加多个脉冲。
为了确保实验等离子体的建立，硅烷送气应在等离子体电流上升到平顶段之后进行。如图2所示，对于HL-2A装置约2000ms的等离子体存在时间，平顶段一般在200ms之后达到，为确保可靠性，硅烷送气的起点时间选为400ms。
由于压电晶体阀3的额定流量在特定的实验条件下会有较大偏差，脉冲宽度的设定由实验测试来确定。对于本例中采用的压电晶体阀3(PEV-1)，经过实验测试，当硅烷脉冲宽度小于5ms时在边缘等离子体的光谱诊断中未观察到硅线信号，可能原因是注入量太少其尚未电离就已经被真空机组抽走；而当脉冲宽度大于20ms时，等离子体发生破裂，所以脉冲宽度的范围为5ms～20ms，本实施例中设定为10ms。
下一脉冲注入应在前一个脉冲注入的气体已经反应完全之后，体现在图2中即为上升的等离子体密度重新下降，所以注入脉冲的间隔为50-100ms，本例中设定为100ms。
为了提高壁处理效率，注入的硅烷量应尽可能多，在不影响主体实验的前提下脉冲个数越多越好。但需要注意避开辅助加热阶段、H模运行阶段等关键等离子体实验研究阶段以免影响实验结果的分析。
本例中选择送气脉冲时刻为该等离子体放电的平顶段区间的400ms-1300ms，间隔100ms注入一个10ms宽的氘硅烷-氦气脉冲，共计10个脉冲。
5)沉积硅化壁
氘硅烷-氦气混合气进入真空室5后，沿径向运动到刮削层区7后，在等离子体的作用下，电子引起氘硅烷离解、电离等，产生SiDx +(x＝0,1,2,3)系列组分。
SiDx +(x＝0,1,2,3)系列组分沿着磁力线在环向和极向方向运动，在某个位置接触到真空室器壁后沉积在该位置，形成α-Si:D或α-Si/C:D非晶硅薄膜。
HL-2A装置的等离子体放电主要有孔栏位型和下单零偏滤器位型两种形式，因此，孔栏位型下硅元素主要沉积在第一壁区域，偏离器位型下主要沉积在偏滤器区域。
在HL-2A装置的实验结果显示，当硅烷注入等离子体时，光谱诊断观察到明显的硅线，即硅烷气体被有效电离。同时氧谱峰有所降低，即在注入过程中氧杂质得到抑制。在连续两周的实验过程中，每天进行3-5次的在线硅烷送气壁处理等离子体放电实验后，真空室器壁条件良好，获得较好的H模实验结果。
Claims (3)
1.一种用于聚变装置的在线表面涂覆硅化壁处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)、气源准备
采用氘硅烷和氦气的混合气体作为硅化壁处理的工作气体；
步骤2)、真空室上布置注入点
步骤3)、注入点上安装送气管路(2)，送气管路(2)上安装压电晶体阀(3)，使压电晶体阀(3)采用脉冲工作模式；
步骤4)、在等离子体运行的平顶段送气，采用脉冲送气向真空室(5)内注入工作气体；
步骤5)、氘硅烷-氦气混合气进入真空室(5)后，沿径向运动到刮削层区(7)后，在等离子体的作用下，在真空室内壁沉积形成硅化壁；
真空室5内形成主等离子体区6和刮削层区7，主等离子体区6外部为刮削层3；在等离子体运行期间，通过稳压器1向真空室2内注入氘硅烷和氦气的混合气体；
所述的氘硅烷和氦气的混合气体为体积浓度10-20％vol的氘硅烷和体积浓度90-80％vol氦气组成的混合气体；
在弱场侧和强场侧对称均匀的布置4个注入点或者在偏滤器主要刻蚀区环向均匀布置4个注入点，且沿着真空室环向均匀布置；
所述的步骤1)中的工作气体存储于稳压器(1)中，所述的稳压器(1)的体积8-12L，压力控制在0.2-0.3MPa；
所述的步骤4)中，选择送气脉冲时刻为该等离子体放电的平顶段区间的400ms-1300ms，间隔100ms注入一个10ms宽的氘硅烷-氦气脉冲，共计10个脉冲；送气的单个脉冲宽度为5ms～20ms，注入脉冲的间隔为50-100ms；
注入的硅烷应避开辅助加热阶段和H模运行阶段；
所述的注入点在偏滤器主要刻蚀区沿真空室(5)环向均匀布置；
所述的注入点位于弱场侧的中平面位置，沿真空室(5)环向均匀布置。
2.如权利要求1所述的一种用于聚变装置的在线表面涂覆硅化壁处理方法，其特征在于：所述的压电晶体阀(3)为PEV-1压电晶体阀，其工作电压0-100V，流量范围0-525sccm。
3.如权利要求1所述的一种用于聚变装置的在线表面涂覆硅化壁处理方法，其特征在于：所述的步骤5中，氘硅烷-氦气混合气进入真空室(5)后引起氘硅烷离解、电离，产生SiDx +，x＝0,1,2,3系列组分，使其沿着磁力线在环向和极向方向运动，形成非晶硅薄膜。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113913778A (zh) | 2022-01-11 |
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