CN113983948B - 托卡马克第一壁材料激光刻蚀系统及刻蚀深度标定方法 - Google Patents

Abstract

托卡马克第一壁材料激光刻蚀系统及刻蚀深度标定方法，涉及核聚变装置技术领域。托卡马克第一壁材料激光刻蚀系统，包括真空装置、刻蚀装置和观测装置；真空装置包括真空气氛腔室、真空泵组和真空规；刻蚀装置包括刻蚀平台、光纤激光器和主控电脑。托卡马克第一壁材料刻蚀深度标定方法，步骤如下：预处理；离子注入；获取烧蚀前的¹³C离子浓度分布情况；激光刻蚀；计算激光刻蚀深度；获取激光刻蚀后的¹³C离子浓度分布情况；建立¹³C离子浓度与刻蚀深度对应关系的数据库。本发明将示踪元素¹³C用于托卡马克第一壁材料腐蚀深度的标定，为在线测量托卡马克第一壁材料的腐蚀深度提供了切实可行的方案。

Description

托卡马克第一壁材料激光刻蚀系统及刻蚀深度标定方法

技术领域

本发明涉及核聚变装置技术领域，特别是一种托卡马克第一壁材料激光刻蚀系统及刻蚀深度标定方法。

背景技术

托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器，它是核聚变相关实验和研究中的重要设备，托卡马克工作时，芯部的工作气体被高能电流击穿，形成等离子体，将等离子体维持在一定的浓度、温度和密度下，当放电参数满足一定条件即发生核聚变反应。

托卡马克的芯部被第一壁包裹在内，从而处于一个密闭的环境中。当托卡马克运行时，一方面，第一壁直接暴露在高热流与强磁场的极端环境中，并且直接与来自芯部的高能等离子体接触，致使第一壁承受高能粒子流冲击、稳态事件引起的瞬态热流、异常事件引起的瞬态热流，容易发生腐蚀现象，另一方面，第一壁在芯部发生的等离子体放电中断、垂直不稳定性位移、逃逸电子、边缘局域模等事件的作用下，容易发生腐蚀现象。所述腐蚀现象包括第一壁材料产生的物理溅射、化学溅射、蒸发、融化、化学腐蚀、辐射增强升华等现象。

被腐蚀的第一壁溅射出大量的杂质例子，这些杂质例子混入并污染芯部的等离子体，降低了等离子体的品质，进而影响托卡马克的运行安全。因此，对托卡马克第一壁的腐蚀深度进行标定，对腐蚀现象的规律进行研究是非常有必要的。

但是，上述的标定和研究存在以下困难之处：1、第一壁的腐蚀面为第一壁的内表面，若要测量腐蚀深度，就要对第一壁材料进行破坏性取样，标定和研究的成本过高，得不偿失。2、目前针对第一壁腐蚀深度的标定，缺乏有效的方法，这对第一壁腐蚀深度的测量和研究造成了巨大的阻碍。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，而提供一种托卡马克第一壁材料激光刻蚀系统及刻蚀深度标定方法，解决了目前针对托卡马克第一壁材料的腐蚀深度标定及腐蚀行为研究，缺乏有效的方法的问题。

本发明的技术方案是：托卡马克第一壁材料激光刻蚀系统，包括真空装置、刻蚀装置和观测装置；

真空装置包括真空气氛腔室、真空泵组和真空规；真空气氛腔室内设有空腔，真空气氛腔室的外壁上设有连通至空腔的操作口、线缆出入口、管道连接口和真空规连接口，操作口处设有用于封闭或敞开操作口的活动盖；真空泵组通过管道与真空气氛腔室的管道连接口连接；真空规直接或间接连接在真空规连接口上；

刻蚀装置包括刻蚀平台、光纤激光器和主控电脑；刻蚀平台安装在真空气氛腔室的内腔中，其包括用于放置工件的台板、用于驱动台板做竖直升降移动的竖直升降驱动机构、用于驱动台板在水平面上移动的水平面移动驱动机构；光纤激光器包括依次连接的激光发射头、控制器和光纤；激光发射头固定设置在真空气氛腔室的内腔中，其激光射出方向竖直向下；控制器设置在真空气氛腔室的外部；光纤一端位于真空气氛腔室的内腔中，并连接在激光发射头上，另一端从线缆出入口穿出到真空气氛腔室的外部，并连接在控制器上；主控电脑设在真空气氛腔室的外部，并分别与竖直升降驱动机构、水平面移动驱动机构、控制器电连接；

观测装置包括CCD相机、照明装置和显示器；CCD相机固定设置在激光发射头上；照明装置设置在真空气氛腔室的内腔中；显示器放置在真空气氛腔室的外部，其通过信号线与CCD相机通信连接，信号线一端位于真空气氛腔室的内腔中，并连接在CCD相机上，另一端从线缆出入口穿出到真空气氛腔室的外部，并与显示器连接。

本发明进一步的技术方案是：水平面移动驱动机构包括用于驱动台板做X轴方向往复直线移动的X轴移动驱动组件和用于驱动台板做Y轴方向往复直线移动的Y轴移动驱动组件，X轴垂直于Y轴，X轴和Y轴均位于同一水平面上。

本发明再进一步的技术方案是：真空气氛腔室呈水平放置的中空圆柱形，所述操作口位于真空气氛腔室的轴向一端，所述管道连接口和真空规连接口均位于真空气氛腔室外壁的1/2高度上，所述线缆出入口位于真空气氛腔室外壁的顶部。

本发明更进一步的技术方案是：线缆出入口的数量不少于两个，所有的线缆出入口沿真空气氛腔室的轴线方向均布；相应的，光纤激光器的光纤和观测装置的信号线分别穿过不同的线缆出入口。

本发明更进一步的技术方案是：光纤与线缆出入口之间以及信号线与线缆出入口之间分别设有密封组件；密封组件包括弹性内套、弹性中间套、防脱箍环、下套管、锁紧螺母及上套管；弹性内套为横截面呈C形的橡胶套管，其上设有沿轴向延伸的贯通缝隙A，弹性内套通过贯通缝隙A安装在光纤或信号线的外壁上，并与光纤外壁或信号线外壁紧密接触；弹性中间套为横截面呈C形的橡胶套管，其上设有沿轴向延伸的贯通缝隙B，弹性中间套通过贯通缝隙B安装在弹性内套的外壁上，并与弹性内套的外壁紧密接触，其上的贯通缝隙B与弹性内套的贯通缝隙A错位布置；防脱箍环呈套筒形，其由两块横截面呈半圆环形的条状分体插接而成，防脱箍环安装在弹性中间套的外壁上，并与弹性中间套的外壁紧密接触，两块分体的连接处与弹性中间套的贯通缝隙B错位布置；下套管的外壁上从上端至下端依次设有外螺纹A、环形定位台和外螺纹B，下套管套装在防脱箍环的外壁上，其内孔壁面与防脱箍环的外壁紧密接触，其上端的外螺纹A从线缆出入口伸出而位于真空气氛腔室的外部，其环形定位台和外螺纹B位于真空气氛腔室的内部；锁紧螺母螺纹连接在下套管的外螺纹B上，从而将下套管的环形定位台压紧在真空气氛腔室在线缆出入口附近的内壁面上；上套管的内壁中设有内螺纹，上套管通过内螺纹连接在下套管的外螺纹A上，并位于真空气氛腔室的外部，其下端面与真空气氛腔室在线缆出入口附近的外壁面紧密接触。

本发明的技术方案是：托卡马克第一壁材料刻蚀深度标定方法，应用于上述的托卡马克第一壁材料激光刻蚀系统，步骤如下：

S01，预处理：准备多个形状及尺寸一致的石墨样品，进行砂磨和镜面处理至表面无划痕，并在真空环境下进行干燥，再利用微量电子天平分别称取每个石墨样品的重量；

S02，离子注入：采用串列加速器对石墨样品的上表面进行¹³C离子注入，注入能量E为500KeV～9MeV，注入剂量φ为1.0×10²³～1.5×10²⁴atoms/cm²，注入角度r为40～45°，从而在石墨样品中获得¹³C浓度随深度下潜呈梯度下降的分布特征；

本步骤中，所述深度为垂直于石墨样品的上表面向下的方向；所述注入角度为离子注入的方向线与石墨样品上表面的垂直面所成夹角，所有的石墨样品均采用相同的参数进行¹³C离子注入；

S03，获取烧蚀前的¹³C离子浓度分布情况：

a、在SRIM-2013程序组的TRIM程序中，输入石墨样品的相关信息，模拟¹³C离子在石墨样品中的分布情况，得到激光刻蚀前的石墨样品沿深度方向的¹³C离子浓度分布数据，以下简称为刻蚀前¹³C离子浓度分布数据；相关信息包括注入能量、注入剂量、注入角度、靶材料和入射离子；

b、先将刻蚀前¹³C离子浓度分布数据通过公式1进行处理，得到转换数据，再将转换数据导入TRIM程序中，通过TRIM程序输出“石墨样品深度-¹³C离子浓度”曲线图；

公式1：N_T＝N₀+N_TRIM×φ；

其中，N₀＝1.0722×10²¹atoms/cm³，N₀为¹³C的天然丰度；N_TRIM为通过TRIM程序得到的沿石墨样品深度方向的¹³C离子浓度分布数据；φ＝5.5×10¹⁵atoms/cm³，φ为注入剂量；N_T为转换数据；

S04，激光刻蚀：

a、将注入了¹³C离子的石墨样品平稳放置在刻蚀平台的台板上，并确保石墨样品的上表面朝上并呈水平；

b、控制竖直升降驱动机构和水平面移动驱动机构动作，以调整台板的位置，使石墨样品的上表面位于激光发射头的正下方，并与激光发射头的垂直高度差为h，h＝f+s，f为激光发射头的焦距，f为离焦量，取值范围为3～5mm；

c、关闭活动盖从而将操作口封闭，使用真空泵组将真空气氛腔室的内腔抽至真空状态，使气压小于10^-3mbar；

d、设置光纤激光器的工作参数，激光强度设置为1.8×10⁶～2.38×10⁶W/cm²之间的某个值，扫描速度设置为600～1000mm/min之间的某个值，维持石墨样品上表面与激光发射头之间的垂直高度差h不变，启动一次面扫描，从而在石墨样品的上表面进行激光刻蚀，以模拟托卡马克芯部等离子体对第一壁材料的腐蚀现象；

e、多次重复a～d分步骤，对其余的石墨样品分别进行激光刻蚀，每次重复a～d分步骤时，通过调整光纤激光器的工作参数，从而得到具有不同的激光刻蚀深度的一组石墨样品；

S05，计算激光刻蚀深度：

a、将烧蚀后一组石墨样品进行表面清洁，采用微量电子天平分别称取清洁后的各个石墨样品的质量，再分别计算各个石墨样品的烧蚀率；

b、采用扫描电子显微镜对各个石墨样品烧蚀区域的表面形貌、烧蚀轮廓进行观察，并分别通过几何测量系统和质量损失法计算各个石墨样品的烧蚀深度；

S06，建立¹³C离子浓度与刻蚀深度对应关系的数据库：

a、结合S05步骤计算所得的刻蚀深度与S03步骤获取的¹³C离子浓度分布数据，获取激光刻蚀后的各个石墨样品沿深度方向的¹³C离子浓度分布数据，以下简称为刻蚀后¹³C离子浓度分布数据；

b、针对每个石墨样品建立刻蚀深度与刻蚀后¹³C离子浓度分布数据的对应关系，得到包含一系列刻蚀深度与刻蚀后¹³C离子浓度分布数据的对应关系的数据库，即实现了石墨样品刻蚀深度的标定。

本发明进一步的技术方案是：S01步骤中，干燥温度为200℃，干燥时长为1h；石墨样品为长40mm、宽10mm、高10mm的长方体。

本发明再进一步的技术方案是：S02步骤中，注入能量E为500KeV，注入剂量φ为1.0×10²³atoms/cm²，注入角度r为40°的条件下，用于标定0-3um的浅层腐蚀。

本发明更进一步的技术方案是：S02步骤中，注入能量E为9MeV，注入剂量φ为1.5×10²⁴atoms/cm²，注入角度r为45°的条件下，用于标定3-21um的深层腐蚀。

本发明更进一步的技术方案是：S04步骤中，在光纤激光器的上述工作参数选择范围内，烧蚀深度在2-14um之间；一次面扫描在石墨样品上表面形成的刻蚀深度随着扫描速度的增加而线性下降；重复a～d分步骤时，维持激光强度不变，仅通过调整扫描速度，即可得到具有不同的激光刻蚀深度的一组石墨样品。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、将示踪元素¹³C用于托卡马克第一壁材料(石墨)腐蚀深度的标定，建立了¹³C离子浓度与刻蚀深度对应关系的数据库，为研究托卡马克芯部的等离子体与第一壁材料相互作用(PWI)下的腐蚀输运行为提供了数据支持，为在线测量托卡马克第一壁材料的腐蚀深度提供了切实可行的方案，对提升托卡马克的运行安全性具有重要意义。

2、对石墨样品进行离子注入时，对参数的选择范围进行了限定：注入能量E为500KeV～9MeV、注入剂量φ为1.0×10²³～1.5×10²⁴atoms/cm²、注入角度r为40～45°。上述的参数的选择范围并非随意确定，仅在基于参数选择范围内的离子注入条件下，才能在石墨样品的目标深度区段内获得¹³C浓度随深度下潜呈梯度下降的分布特征，进而满足石墨样品刻蚀深度标定的需要。

以下结合图和实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意简图；

图2为真空气氛腔室及其内部安装部件的位置关系示意图；

图3为密封组件的结构示意及安装位置示意图；

图4为基于标定浅层腐蚀的离子注入参数下，石墨样品中的¹³C离子浓度与石墨样品的深度的关系图；

图5为基于标定深层腐蚀的离子注入参数下，石墨样品中的¹³C离子浓度与石墨样品的深度的关系图。

说明：图2视角为图1中的真空气氛腔室沿径向面剖切所形成的视角。

具体实施方式

实施例1：

如图1-3所示，托卡马克第一壁材料激光刻蚀系统，包括真空装置、刻蚀装置和观测装置。

真空装置包括真空气氛腔室11、真空泵组12和真空规13。真空气氛腔室11内设有空腔，真空气氛腔室11的外壁上设有连通至空腔的操作口111、线缆出入口112、管道连接口113和真空规连接口114，操作口111处设有用于封闭或敞开操作口111的活动盖115。真空泵组12通过管道与真空气氛腔室11的管道连接口113连接，其用于将真空气氛腔室11的内腔抽至真空状态。真空规13直接或间接连接在真空规连接口114上，其用于检测真空气氛腔室11的内腔中的真空度。

刻蚀装置包括刻蚀平台、光纤激光器和主控电脑23。刻蚀平台安装在真空气氛腔室11的内腔中，其包括用于放置工件的台板211、用于驱动台板211做竖直升降移动的竖直升降驱动机构(图中未示出)、用于驱动台板211在水平面上移动的水平面移动驱动机构(图中未示出)。光纤激光器22包括依次连接的激光发射头221、控制器222和光纤223。激光发射头221固定设置在真空气氛腔室11的内腔中，其激光射出方向竖直向下。控制器222设置在真空气氛腔室11的外部，其一方面为激光发射头221发射激光提供能源支持，另一方面用于控制激光发射头221发射的激光功率。光纤223一端位于真空气氛腔室11的内腔中，并连接在激光发射头221上，另一端从线缆出入口112穿出到真空气氛腔室11的外部，并连接在控制器222上，其用于激光发射头221与控制器222之间的能量及控制信号传导。主控电脑23设在真空气氛腔室11的外部，并分别与竖直升降驱动机构、水平面移动驱动机构、控制器222电连接，其用于调节光纤激光器的激光功率、调节光纤激光器的离焦量、控制台板在水平面上的移动、控制台板在竖直方向的升降、显示刻蚀平台的位置信息；

观测装置包括CCD相机31、照明装置32和显示器33。CCD相机31固定设置在激光发射头221上，其用于获取激光发射头221下端的视频图像。照明装置32设置在真空气氛腔室11的内腔中，其用于对台板211的上表面进行照明。显示器33放置在真空气氛腔室11的外部，其通过信号线与CCD相机31通信连接，信号线一端位于真空气氛腔室11的内腔中，并连接在CCD相机31上，另一端从线缆出入口112穿出到真空气氛腔室11的外部，并与显示器33连接，其用于展示CCD相机31拍摄的实时视频图像。

优选，水平面移动驱动机构包括用于驱动台板做X轴方向往复直线移动的X轴移动驱动组件和用于驱动台板做Y轴方向往复直线移动的Y轴移动驱动组件，X轴垂直于Y轴，X轴和Y轴均位于同一水平面上，X轴移动驱动组件和Y轴移动驱动组件均为电机丝杆滑台。

优选，真空气氛腔室11呈水平放置的中空圆柱形，所述水平放置为真空气氛腔室的轴心线平行于水平面，所述操作口111位于真空气氛腔室11的轴向一端，所述管道连接口113和真空规连接口114均位于真空气氛腔室11外壁的1/2高度上，所述线缆出入口112位于真空气氛腔室11外壁的顶部。

优选，线缆出入口112的数量不少于两个，所有的线缆出入口112沿真空气氛腔室11的轴线方向均布。相应的，光纤激光器的光纤223和观测装置的信号线分别穿过不同的线缆出入口112。

优选，光纤223与线缆出入口112之间以及信号线与线缆出入口112之间分别设有密封组件。密封组件包括弹性内套41、弹性中间套42、防脱箍环43、下套管44、锁紧螺母45及上套管46。弹性内套41为横截面呈C形的橡胶套管，其上设有沿轴向延伸的贯通缝隙A，弹性内套41通过贯通缝隙A安装在光纤或信号线的外壁上，并与光纤外壁或信号线外壁紧密接触。弹性中间套42为横截面呈C形的橡胶套管，其上设有沿轴向延伸的贯通缝隙B，弹性中间套42通过贯通缝隙B安装在弹性内套41的外壁上，并与弹性内套41的外壁紧密接触，其上的贯通缝隙B与弹性内套42的贯通缝隙A错位布置。防脱箍环43呈套筒形，其由两块横截面呈半圆环形的条状分体插接而成，防脱箍环43安装在弹性中间套42的外壁上，并与弹性中间套42的外壁紧密接触，两块分体的连接处与弹性中间套42的贯通缝隙B错位布置。下套管44的外壁上从上端至下端依次设有外螺纹A441、环形定位台442和外螺纹B443，下套管44套装在防脱箍环43的外壁上，其内孔壁面与防脱箍环43的外壁紧密接触，其上端的外螺纹A441从线缆出入口112伸出而位于真空气氛腔室11的外部，其环形定位台442和外螺纹B443位于真空气氛腔室11的内部。锁紧螺母45螺纹连接在下套管44的外螺纹B443上，从而将下套管44的环形定位台442压紧在真空气氛腔室11在线缆出入口112附近的内壁面上。上套管45的内壁中设有内螺纹，上套管45通过内螺纹连接在下套管44的外螺纹A441上，并位于真空气氛腔室11的外部，其下端面与真空气氛腔室11在线缆出入口112附近的外壁面紧密接触。

一种托卡马克第一壁材料刻蚀深度标定方法，应用于上述的托卡马克第一壁材料激光刻蚀系统，步骤如下：

S01，预处理：准备多个形状及尺寸一致的石墨样品，进行砂磨和镜面处理至表面无划痕，并在真空环境下进行干燥，再利用微量电子天平分别称取每个石墨样品的重量。

本步骤中，干燥温度为200℃，干燥时长为1h；石墨样品为长40mm、宽10mm、高10mm的长方体。

S02，离子注入：采用串列加速器对石墨样品的上表面进行¹³C离子注入，注入能量E为500KeV～9MeV，注入剂量φ为1.0×10²³～1.5×10²⁴atoms/cm²，注入角度r为40～45°，从而在石墨样品中获得¹³C浓度随深度下潜呈梯度下降的分布特征。

本步骤中，所述深度为垂直于石墨样品的上表面向下的方向；所述注入角度为离子注入的方向线与石墨样品上表面的垂直面所成夹角，所有的石墨样品均采用相同的参数进行¹³C离子注入。

本步骤中，参看图4，注入能量E为500KeV，注入剂量φ为1.0×10²³atoms/cm²，注入角度r为40°的条件下，在石墨样品上表面0-3um的区段内，¹³C离子的浓度与深度呈现明显的线性关系，可用于标定0-3um的浅层腐蚀。

本步骤中，参看图5，注入能量E为9MeV，注入剂量φ为1.5×10²⁴atoms/cm²，注入角度r为45°的条件下，在石墨样品上表面0-21um的区段内，¹³C离子的浓度与深度呈现明显的线性关系，可用于标定3-21um的深层腐蚀。

S03，获取烧蚀前的¹³C离子浓度分布情况：

a、在SRIM-2013程序组的TRIM程序中，输入石墨样品的相关信息，模拟¹³C离子在石墨样品中的分布情况，得到激光刻蚀前的石墨样品沿深度方向的¹³C离子浓度分布数据，以下简称为刻蚀前¹³C离子浓度分布数据；相关信息包括注入能量、注入剂量、注入角度、靶材料和入射离子；

b、先将刻蚀前¹³C离子浓度分布数据通过公式1进行处理，得到转换数据，再将转换数据导入TRIM程序中，通过TRIM程序输出“石墨样品深度-¹³C离子浓度”曲线图；

公式1：N_T＝N₀+N_TRIM×φ；

其中，N₀＝1.0722×10²¹atoms/cm³，N₀为¹³C的天然丰度；N_TRIM为通过TRIM程序得到的沿石墨样品深度方向的¹³C离子浓度分布数据；φ＝5.5×10¹⁵atoms/cm³，φ为注入剂量；N_T为转换数据。

S04，激光刻蚀：

a、将注入了¹³C离子的石墨样品平稳放置在刻蚀平台的台板上，并确保石墨样品的上表面朝上并呈水平；

b、控制竖直升降驱动机构和水平面移动驱动机构动作，以调整台板的位置，使石墨样品的上表面位于激光发射头的正下方，并与激光发射头的垂直高度差为h，h＝f+s，f为激光发射头的焦距，f为离焦量，取值范围为3～5mm；

c、关闭活动盖从而将操作口封闭，使用真空泵组将真空气氛腔室的内腔抽至真空状态，使气压小于10^-3mbar；

d、设置光纤激光器的工作参数，激光强度设置为1.8×10⁶～2.38×10⁶W/cm²之间的某个值，扫描速度设置为600～1000mm/min之间的某个值，维持石墨样品上表面与激光发射头之间的垂直高度差h不变，启动一次面扫描，从而在石墨样品的上表面进行激光刻蚀，以模拟托卡马克芯部等离子体对第一壁材料的腐蚀现象；

e、多次重复a～d分步骤，对其余的石墨样品分别进行激光刻蚀，每次重复a～d分步骤时，通过调整光纤激光器的工作参数，从而得到具有不同的激光刻蚀深度的一组石墨样品。

本步骤中，在光纤激光器的上述工作参数选择范围内，烧蚀深度在2-14um之间；一次面扫描在石墨样品上表面形成的刻蚀深度随着扫描速度的增加而线性下降；重复a～d分步骤时，维持激光强度不变，仅通过调整扫描速度，即可得到具有不同的激光刻蚀深度的一组石墨样品。

S05，计算激光刻蚀深度：

a、将烧蚀后一组石墨样品进行表面清洁，采用微量电子天平分别称取清洁后的各个石墨样品的质量，再分别计算各个石墨样品的烧蚀率；

b、采用扫描电子显微镜对各个石墨样品烧蚀区域的表面形貌、烧蚀轮廓进行观察，并分别通过几何测量系统和质量损失法计算各个石墨样品的烧蚀深度。

S06，建立¹³C离子浓度与刻蚀深度对应关系的数据库：

a、结合S05步骤计算所得的刻蚀深度与S03步骤获取的¹³C离子浓度分布数据，获取激光刻蚀后的各个石墨样品沿深度方向的¹³C离子浓度分布数据，以下简称为刻蚀后¹³C离子浓度分布数据；例如，激光刻蚀深度为5um，¹³C离子浓度分布数据为0-13um深度区段的浓度分布数据，即将0-5um深度区段的浓度分布数据删除，仅保留5-13um深度区段的浓度分布数据即可；

b、针对每个石墨样品建立刻蚀深度与刻蚀后¹³C离子浓度分布数据的对应关系，得到包含一系列刻蚀深度与刻蚀后¹³C离子浓度分布数据的对应关系的数据库，即实现了石墨样品刻蚀深度的标定。

当上述方法应用于拓卡马克第一壁腐蚀深度在线测量时，基于上述方法中的离子注入条件向第一壁材料中注入¹³C离子。在托卡马克运行过程中，获取沿第一壁深度方向的¹³C离子浓度分布数据，再将¹³C离子浓度分布数据与上述方法中的数据库进行比对查找，即可得知第一壁材料的腐蚀深度。

Claims (10)

1.托卡马克第一壁材料激光刻蚀系统，其特征是：包括真空装置、刻蚀装置和观测装置；

真空装置包括真空气氛腔室、真空泵组和真空规；真空气氛腔室内设有空腔，真空气氛腔室的外壁上设有连通至空腔的操作口、线缆出入口、管道连接口和真空规连接口，操作口处设有用于封闭或敞开操作口的活动盖；真空泵组通过管道与真空气氛腔室的管道连接口连接；真空规直接或间接连接在真空规连接口上；

刻蚀装置包括刻蚀平台、光纤激光器和主控电脑；刻蚀平台安装在真空气氛腔室的内腔中，其包括用于放置工件的台板、用于驱动台板做竖直升降移动的竖直升降驱动机构、用于驱动台板在水平面上移动的水平面移动驱动机构；光纤激光器包括依次连接的激光发射头、控制器和光纤；激光发射头固定设置在真空气氛腔室的内腔中，其激光射出方向竖直向下；控制器设置在真空气氛腔室的外部；光纤一端位于真空气氛腔室的内腔中，并连接在激光发射头上，另一端从线缆出入口穿出到真空气氛腔室的外部，并连接在控制器上；主控电脑设在真空气氛腔室的外部，并分别与竖直升降驱动机构、水平面移动驱动机构、控制器电连接；

观测装置包括CCD相机、照明装置和显示器；CCD相机固定设置在激光发射头上；照明装置设置在真空气氛腔室的内腔中；显示器放置在真空气氛腔室的外部，其通过信号线与CCD相机通信连接，信号线一端位于真空气氛腔室的内腔中，并连接在CCD相机上，另一端从线缆出入口穿出到真空气氛腔室的外部，并与显示器连接。

2.如权利要求1所述的托卡马克第一壁材料激光刻蚀系统，其特征是：水平面移动驱动机构包括用于驱动台板做X轴方向往复直线移动的X轴移动驱动组件和用于驱动台板做Y轴方向往复直线移动的Y轴移动驱动组件，X轴垂直于Y轴，X轴和Y轴均位于同一水平面上。

3.如权利要求2所述的托卡马克第一壁材料激光刻蚀系统，其特征是：真空气氛腔室呈水平放置的中空圆柱形，所述操作口位于真空气氛腔室的轴向一端，所述管道连接口和真空规连接口均位于真空气氛腔室外壁的1/2高度上，所述线缆出入口位于真空气氛腔室外壁的顶部。

4.如权利要求3所述的托卡马克第一壁材料激光刻蚀系统，其特征是：线缆出入口的数量不少于两个，所有的线缆出入口沿真空气氛腔室的轴线方向均布；相应的，光纤激光器的光纤和观测装置的信号线分别穿过不同的线缆出入口。

5.如权利要求3或4所述的托卡马克第一壁材料激光刻蚀系统，其特征是：光纤与线缆出入口之间以及信号线与线缆出入口之间分别设有密封组件；密封组件包括弹性内套、弹性中间套、防脱箍环、下套管、锁紧螺母及上套管；弹性内套为横截面呈C形的橡胶套管，其上设有沿轴向延伸的贯通缝隙A，弹性内套通过贯通缝隙A安装在光纤或信号线的外壁上，并与光纤外壁或信号线外壁紧密接触；弹性中间套为横截面呈C形的橡胶套管，其上设有沿轴向延伸的贯通缝隙B，弹性中间套通过贯通缝隙B安装在弹性内套的外壁上，并与弹性内套的外壁紧密接触，其上的贯通缝隙B与弹性内套的贯通缝隙A错位布置；防脱箍环呈套筒形，其由两块横截面呈半圆环形的条状分体插接而成，防脱箍环安装在弹性中间套的外壁上，并与弹性中间套的外壁紧密接触，两块分体的连接处与弹性中间套的贯通缝隙B错位布置；下套管的外壁上从上端至下端依次设有外螺纹A、环形定位台和外螺纹B，下套管套装在防脱箍环的外壁上，其内孔壁面与防脱箍环的外壁紧密接触，其上端的外螺纹A从线缆出入口伸出而位于真空气氛腔室的外部，其环形定位台和外螺纹B位于真空气氛腔室的内部；锁紧螺母螺纹连接在下套管的外螺纹B上，从而将下套管的环形定位台压紧在真空气氛腔室在线缆出入口附近的内壁面上；上套管的内壁中设有内螺纹，上套管通过内螺纹连接在下套管的外螺纹A上，并位于真空气氛腔室的外部，其下端面与真空气氛腔室在线缆出入口附近的外壁面紧密接触。

6.托卡马克第一壁材料刻蚀深度标定方法，其特征是，应用于权利要求5所述的托卡马克第一壁材料激光刻蚀系统，步骤如下：

S01，预处理：准备多个形状及尺寸一致的石墨样品，进行砂磨和镜面处理至表面无划痕，并在真空环境下进行干燥，再利用微量电子天平分别称取每个石墨样品的重量；

S02，离子注入：采用串列加速器对石墨样品的上表面进行¹³C离子注入，注入能量E为500KeV～9MeV，注入剂量φ为1.0×10²³～1.5×10²⁴atoms/cm²，注入角度r为40～45°，从而在石墨样品中获得¹³C浓度随深度下潜呈梯度下降的分布特征；

本步骤中，所述深度为垂直于石墨样品的上表面向下的方向；所述注入角度为离子注入的方向线与石墨样品上表面的垂直面所成夹角，所有的石墨样品均采用相同的参数进行¹³C离子注入；

S03，获取烧蚀前的¹³C离子浓度分布情况：

a、在SRIM-2013程序组的TRIM程序中，输入石墨样品的相关信息，模拟¹³C离子在石墨样品中的分布情况，得到激光刻蚀前的石墨样品沿深度方向的¹³C离子浓度分布数据，以下简称为刻蚀前¹³C离子浓度分布数据；相关信息包括注入能量、注入剂量、注入角度、靶材料和入射离子；

b、先将刻蚀前¹³C离子浓度分布数据通过公式1进行处理，得到转换数据，再将转换数据导入TRIM程序中，通过TRIM程序输出“石墨样品深度-¹³C离子浓度”曲线图；

公式1：N_T＝N₀+N_TRIM×φ；

其中，N₀＝1.0722×10²¹atoms/cm³，N₀为¹³C的天然丰度；N_TRIM为通过TRIM程序得到的沿石墨样品深度方向的¹³C离子浓度分布数据；φ＝5.5×10¹⁵atoms/cm³，φ为注入剂量；N_T为转换数据；

S04，激光刻蚀：

a、将注入了¹³C离子的石墨样品平稳放置在刻蚀平台的台板上，并确保石墨样品的上表面朝上并呈水平；

b、控制竖直升降驱动机构和水平面移动驱动机构动作，以调整台板的位置，使石墨样品的上表面位于激光发射头的正下方，并与激光发射头的垂直高度差为h；

c、关闭活动盖从而将操作口封闭，使用真空泵组将真空气氛腔室的内腔抽至真空状态，使气压小于10^-3mbar；

d、设置光纤激光器的工作参数，激光强度设置为1.8×10⁶～2.38×10⁶W/cm²之间的某个值，扫描速度设置为600～1000mm/min之间的某个值，维持石墨样品上表面与激光发射头之间的垂直高度差h不变，启动一次面扫描，从而在石墨样品的上表面进行激光刻蚀，以模拟托卡马克芯部等离子体对第一壁材料的腐蚀现象；

e、多次重复a～d分步骤，对其余的石墨样品分别进行激光刻蚀，每次重复a～d分步骤时，通过调整光纤激光器的工作参数，从而得到具有不同的激光刻蚀深度的一组石墨样品；

S05，计算激光刻蚀深度：

a、将烧蚀后一组石墨样品进行表面清洁，采用微量电子天平分别称取清洁后的各个石墨样品的质量，再分别计算各个石墨样品的烧蚀率；

b、采用扫描电子显微镜对各个石墨样品烧蚀区域的表面形貌、烧蚀轮廓进行观察，并分别通过几何测量系统和质量损失法计算各个石墨样品的烧蚀深度；

S06，建立¹³C离子浓度与刻蚀深度对应关系的数据库：

a、结合S05步骤计算所得的刻蚀深度与S03步骤获取的¹³C离子浓度分布数据，获取激光刻蚀后的各个石墨样品沿深度方向的¹³C离子浓度分布数据，以下简称为刻蚀后¹³C离子浓度分布数据；

b、针对每个石墨样品建立刻蚀深度与刻蚀后¹³C离子浓度分布数据的对应关系，得到包含一系列刻蚀深度与刻蚀后¹³C离子浓度分布数据的对应关系的数据库，即实现了石墨样品刻蚀深度的标定。

7.如权利要求6所述的托卡马克第一壁材料刻蚀深度标定方法，其特征是：S01步骤中，干燥温度为200℃，干燥时长为1h；石墨样品为长40mm、宽10mm、高10mm的长方体。

8.如权利要求7所述的托卡马克第一壁材料刻蚀深度标定方法，其特征是：S02步骤中，注入能量E为500KeV，注入剂量φ为1.0×10²³atoms/cm²，注入角度r为40°的条件下，用于标定0-3um的浅层腐蚀。

9.如权利要求7所述的托卡马克第一壁材料刻蚀深度标定方法，其特征是：S02步骤中，注入能量E为9MeV，注入剂量φ为1.5×10²⁴atoms/cm²，注入角度r为45°的条件下，用于标定3-21um的深层腐蚀。

10.如权利要求9所述的托卡马克第一壁材料刻蚀深度标定方法，其特征是：S04步骤中，在光纤激光器的上述工作参数选择范围内，烧蚀深度在2-14um之间；一次面扫描在石墨样品上表面形成的刻蚀深度随着扫描速度的增加而线性下降；重复a～d分步骤时，维持激光强度不变，仅通过调整扫描速度，即可得到具有不同的激光刻蚀深度的一组石墨样品。