托卡馬克面向等離子體材料雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜診斷研究.pdf

1、托卡馬克裝置運(yùn)行過程中，面向等離子體材料(Plasma Facing Material，PFM)承受著來自芯部等離子體穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)高熱負(fù)荷和強(qiáng)粒子流的轟擊作用。這種等離子體與壁材料相互作用(Plasma Wall Interaction，PWI)過程往往會(huì)伴隨著PFM的濺射刻蝕，雜質(zhì)輸運(yùn)、再沉積，以及燃料滯留等物理問題。PFM的退化直接決定了未來托卡馬克裝置的使用壽命。磁約束聚變發(fā)展道路上急需一種能夠?qū)崟r(shí)、原位分析PFM表面成分的診斷方法

2、，進(jìn)一步深入研究復(fù)雜的PWI過程，完善未來PFM的設(shè)計(jì)方案。
　　激光誘導(dǎo)擊穿光譜（Laser Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS）技術(shù)作為一種原位、微損傷、全元素分析手段，已被應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，并獲得不同程度的成功。然而LIBS技術(shù)在托卡馬克環(huán)境下的應(yīng)用研究還處在起步嘗試階段，對(duì)于超高真空、強(qiáng)磁場(chǎng)等嚴(yán)酷環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)匱乏。如何進(jìn)一步提升LIBS系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度將是決定該技術(shù)最終能否成為一種

3、可靠的托卡馬克裝置PFM原位診斷技術(shù)的關(guān)鍵一步。因此，本論文針對(duì)托卡馬克環(huán)境下等離子體輻照后的壁材料表面所沉積的痕量雜質(zhì)元素和滯留燃料進(jìn)行了單脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜(SP-LIBS)分析測(cè)試，研究了氣壓對(duì)光譜信號(hào)的影響，并由此發(fā)展了一種雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜(DP-LIBS)技術(shù)的新方法，達(dá)到了顯著提升探測(cè)靈敏度、空間分辨率的目的。具體內(nèi)容如下:
　　第二章針對(duì)納秒激光誘導(dǎo)等離子體動(dòng)力學(xué)演化過程，等離子體溫度、密度、光譜特性等物理參

4、數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行了討論。通過LIBS方法對(duì)2010年EAST托卡馬克裝置等離子體輻照前后PFM表面成分進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果顯示輻照后偏濾器石墨瓦表面共沉積雜質(zhì)主要包括鋰、硅、鐵、鉻、鉀、鈉等元素，表征結(jié)果與離線X射線光電子能譜(XPS)測(cè)試結(jié)果相一致。通過逐點(diǎn)掃描的方式成功獲得了各雜質(zhì)元素空間分布情況，首次測(cè)得偏濾器石墨瓦表層共沉積雜質(zhì)層厚度約為60μm，驗(yàn)證了LIBS技術(shù)可以作為一種PFM表面共沉積雜質(zhì)層三維空間全元素成分成像研究的分析

5、方法。
　　第三章通過實(shí)驗(yàn)室模擬托克馬克氣壓環(huán)境，系統(tǒng)地研究了氣壓的改變(6×10-6mbar至1000mbar)對(duì)LIBS光譜分析的影響。結(jié)果顯示隨著環(huán)境氣壓的降低等離子體連續(xù)輻射強(qiáng)度逐漸降低，而原子、離子發(fā)射譜線強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，大約在1～100mbar區(qū)間出現(xiàn)極大值。這種現(xiàn)象是氣壓環(huán)境對(duì)等離子體約束和激光誘導(dǎo)等離子體對(duì)納秒激光脈沖后延屏蔽作用兩種競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制間共同作用的結(jié)果。當(dāng)氣壓低于10-2mbar之后，環(huán)境對(duì)

6、等離子體約束作用十分有限，導(dǎo)致了等離子體處于自由膨脹的狀態(tài)，LIBS光譜信號(hào)較弱，不利于PFM的診斷工作。盡管如此，在EAST裝置“H窗口”處所搭建的原位LIBS壁材料診斷裝置在10-8mbar環(huán)境下成功檢測(cè)到了第一壁鉬瓦表面和瓦間縫隙內(nèi)所滯留的氘(D)信號(hào)，這為EAST裝置等離子體放電過程中燃料滯留輸運(yùn)研究提供了直接的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　　第四章作為本論文的研究重點(diǎn)，提出了一種共軸雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜(DP-LIBS)技術(shù)的壁診斷方

7、法。該方法在托卡馬克裝置超高真空環(huán)境下提高了傳統(tǒng)單脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜(SP-LIBS)原位PFM診斷的探測(cè)靈敏度，進(jìn)一步提升了對(duì)痕量元素的精確分析能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在3×10-5mbar條件下，脈沖時(shí)間間隔為1.5μs時(shí)，DP-LIBS方法所采集到的等離子體光譜信號(hào)強(qiáng)度較傳統(tǒng)的SP-LIBS方法增強(qiáng)6.5倍。通過DP-LIBS方法成功探測(cè)到了聚變等離子體輻照后偏濾器石墨瓦表面所有痕量雜質(zhì)元素(0.14％Ti，0.05％Cr，0.08％

8、Ca，0.26％Fe，0.05％Ni和0.13％Mo)，與商用X射線能譜(EDX)儀器的探測(cè)結(jié)果相一致。此外，DP-LIBS與EDX、XPS離線分析技術(shù)相比還具備了包含氫（氘、氚）、鋰等低原子序數(shù)元素在內(nèi)的全元素實(shí)時(shí)診斷等諸多優(yōu)勢(shì)。
　　第五章介紹了一種垂直再加熱DP-LIBS診斷方法，在不損傷HL-2A托卡馬克裝置第一鏡光學(xué)表面的前提下，對(duì)第一鏡表面超薄（0.8μm）共沉積雜質(zhì)層進(jìn)行縱向超高空間分辨（80nm/pulse）的診斷