1、三阴极级联弧源下氦等离子体的特性研究 张志艳 曹小岗 韩磊 马小春 芶富均 韦建军 四川大学原子与分子物理研究所 四川大学原子核科学技术研究所 摘 要： 采用课题组自行研制的高密度低温三阴极等离子体源研究了氦等离子体的基本特性, 拟为研究边缘氦等离子体与偏滤器材料的相互作用提供参数。研究结果表明: (1) 氦等离子体电子温度、电子密度均随氦气流量、磁场、电流的增大呈线性增加趋势。其中, 电子密度可达 1019m-3, 电子温度小于 1 eV。 (2) 氦等离子体的热负荷及离子通量随磁场、流量的增加而增加, 且离子通量可达1022/m2s1, 热负荷可达 19.68 kW/m2; (3) 氦原子
2、光谱随放电电流、氦气流量的增大而增大; (4) 距喷口 29 cm 处的整个截面通过的离子数可达 1019/s, 约为输入粒子总数的 1%左右。关键词： 电子密度; 电子温度; 热负荷; 离子通量; 作者简介：芶富均, Tel:18982262808, E-mail:作者简介：韦建军, Tel:13198576816;E-mail:收稿日期：2017-06-27基金：国际热核聚变实验堆 (ITER) 计划专项 (批准号:2013GB114003) Diagnosing Characteristics of Helium Plasma Generated by Triple-Cathode Ca
3、scaded Arc Plasma SourceZhang Zhiyan Cao Xiaogang Han Lei Ma Xiaochun Gou Fujun Wei Jianjun Institute of Atomic and Molecular Physics, Sichuan University; Institute of Nuclear Science and Technology, Sichuan University; Abstract： We reported the characteristics of the high density low temperature he
4、lium plasma, generated by the lab-built triple-cathode cascaded arc plasma source, confined by magnetic field and diagnosed in-situ with multichannel optical emission spectroscopy and Langmuir probe. The impact of the He flow-rate, magnetic field and discharge current on the He-plasma properties was
5、 investigated to understand its interaction with plasma facing materials. The results show that the He flow-rate, magnetic field and current significantly affected the He-plasma behavior.For example, as the He flow-rate, magnetic field and current increased, the e-density and e-temperature linearly
6、increased up to 1019 m-3 and 1eV, respectively; as the magnetic field and He flow-rate increased, the heat-load and ion-flux increased to 19. 68 k W/m2 and 1022/m2 s1, respectively; the total ion number, through the section at 29 cm from the nozzle, reached 1019/s, about 1% of the input particles.Ke
7、yword： Electron density; Electron temperature; Heat load; Ion particle flux; Received： 2017-06-27在未来热核聚变反应堆 (ITER) 装置中, 偏滤器在高热负荷 (1020 MW/m) 、高粒子通量 (10/ms) 等离子体的轰击下会发生结构、性能的变化, 如:腐蚀、开裂等, 从而缩短偏滤器的服役寿命。为了优化偏滤器性能、延长其使用寿命, 需要获得与实际工况中参数相近的高通量等离子体对偏滤器与等离子体的相互作用进行模拟, 这对于理解偏滤器与等离子体的相互作用机制及偏滤器材料的选取都有重要意义1-5。
8、截至目前, 为了获得高通量等离子体, 各国研究机构相继搭建了不同的直线等离子体装置并对其放电特性进行研究6-10。荷兰的 Hayash 等研究了 Pilot-PSI 直线装置中三阴极源产生的氦等离子体特性。研究结果表明, 当放电电流为 170 A、磁场为 0.05 T、流量为 2.5 L/min (标准状态) 时, 距喷嘴 40mm 处电子密度可达 810/m、电子温度可达 3e V11。日本的 Shin Kajita 等采用探针和光谱诊断设备研究了 NAGDIS-II 直线装置中 La B6高密度等离子体源产生的氦等离子体特性。研究结果表明, 当放电电流从 45 增大到 100 A 时, 氦
9、等离子体的电子密度从 710/m 增大到 210/m312。美国的 Hirooka 等13研究了 PISCES-B 直线装置中 La B6等离子体源产生的氩、氦、氢、氘、氮等离子体特性, 实验结果表明, 等离子体的电子密度在 110310/m 的范围内变化, 电子温度变化范围为 351 e V。三阴极源具有可产生高密度、高通量等离子体等优点, 但设计困难, 目前国内还没有成熟的三阴极源。为研究等离子体与材料的相互作用, 四川大学先进核能实验室自主研制了三阴极级联弧等离子体源, 并由本文利用可移动朗缪尔探针和多通道光谱仪对该源在不同条件下产生的氦等离子体特性进行研究;另外本文首次通过对测得的径向
10、离子通量拟合及外推到整个截面进行积分得到了整个截面每秒通过的离子数 () , 再由 与输入粒子数 ( in) 相比得出其对应的气体电离效率。此研究将为理解等离子体与材料的相互作用机理和过程提供参考。1 实验装置及方法图 1 为课题组自主研制的三阴极直线等离子体装置, 该装置外径为 0.6 m, 内径 0.28 m。主要包括:三阴极源、真空系统、等离子体诊断系统等。真空系统由机械泵、两个罗茨泵及气阀等组成, 背景压强可达 510Pa。三阴极源可将气体电离形成等离子体并由磁场将等离子体进行约束, 其中, 轴向磁场在00.45 T 范围内可调。等离子体诊断系统包括:光谱、朗缪尔探针等诊断设备可实现对
11、腔室内的诊断及观察。本实验采用朗缪尔探针及多通道光谱仪在距喷口 0.29 m 处对氦等离子体的电子温度、电子密度、光谱强度等进行测量。图 2 为三阴极级联弧等离子体源。该等离子体源主要包括阴极、等离子体通道、进气口、喷口、水冷等。阴极由三根通电的钨针组成, 气体从进气口通入并与钨针尖端聚集的电子发生碰撞形成等离子体。由于等离子体腔室和真空腔室之间存在巨大的压强差, 产生的等离子体从喷口喷出并以超音速的速度向真空腔室扩散。经过一个超音速扩展与震动过程, 在腔室中形成亚音速扩展的稳定等离子体束14, 本实验是在距离喷口 0.29 m 的亚音速稳态区域进行测量。图 1 直线等离子体装置示意图 Fig
12、.1 Schematic diagram of the linear plasma source 下载原图图 2 三阴极级联弧等离子体源 Fig.2Schematics of the lab-built triple-cathode cascaded arc plasma source 下载原图2 实验结果与讨论2.1 氦等离子体电子密度、电子温度、光谱强度研究为了解不同条件下此三阴极等离子体源产生的等离子体的具体参数, 本文对不同条件下产生的氦等离子体的电子温度、电子密度、光谱进行测量。图 3 (a) 表示氦气流量为 3 L/min、磁场强度为 0.2 T 时, 氦等离子体电子密度与放电电流
13、的关系。由图可知, 随着放电电流的增大电子密度呈线性增加趋势。放电电流分别为 60、120 A 时, 氦等离子体的电子密度分别为 3.6310 和7.3610/m。与电流为 60 A 时的电子密度相比, 电流为 120 A 时电子密度增大了 2.03 倍。图 3 (b) 为相同条件下, 电子温度随放电电流的变化曲线。由图可知, 电子温度随放电电流的增大而增大。其中, 电流为 120 A 时电子温度为0.32 e V, 电流变为 60 A 时电子温度为 0.25 e V。这是由于随着放电电流的增大输入的能量增加, 钨针尖端聚集的电子数增多, 使得同一流量下有更多的气体与电子碰撞发生电离并获得更高
14、的能量, 从而表现为氦等离子体的电子温度和电子密度均随电流的增大而增大。实验中对电子温度、电子密度进行多次测量均相差很小, 表明在此条件下等离子体束比较稳定。图 3 (c) 为氦原子光谱强度随放电电流的变化曲线, 由图可知光谱强度随电流的增加而增加。由于在低温等离子体中, 处于激发态的粒子主要为电子-离子复合形成的氦原子光谱15-17, 图 3 (c) 光谱强度的增加反应了随着电流的增加有更多的氦气电离并与电子发生复合形成激发态的氦原子, 从而间接证明了等离子体电子密度随电流增大而增大。图 3 氦气流量为 3 L/min, 磁场为 0.2 T 时, 电子密度、电子温度、光谱强度随放电电流的变化
15、曲线 Fig.3 Electron density, electron temperature and spectral intensity as a function of the current at a flow-rate of was 3 L/min and a magnetic field of 0.2 T 下载原图图 4 表示电流为 90 A、磁场为 0.1 T 时, 输入功率随氦气流量的变化曲线。由图可知, 输入功率随氦气流量的增大而线性增加。流量为 6 L/min 时功率可达8.4 k W。这是由于电流不变时, 氦气流量的增大导致等离子体电阻增大, 使得等离子体的输入功率也随着
16、氦气流量的增加而增加18。图 4 电流为 90 A、磁场为 0.1 T 时, 输入功率随流量的变化曲线 Fig.4Impact of the flow-rate on the input power at 90 A and 0.1 T 下载原图放电电流一定时, 氦气流量越大输入功率越大, 阴极聚集的电子数越多, 从而有更多的气体发生电离形成等离子体。图 5 (a) 是放电电流为 90 A、磁场分别为 0.1、0.2、0.3 T 时, 氦等离子体的电子密度随氦气流量的变化曲线。由图可知, 在同一磁场下, 随着氦气流量的增大, 电子密度不断增大。其中, 磁场为 0.3 T、氦气流量为 26 L/m
17、in 时, 电子密度分别为5.1510、7.4910、9.9110、1.2610、1.4610/m。同一流量下, 随着磁场的增大, 电子密度也不断增大。流量为 2 L/min, 磁场分别为0.1、0.2、0.3 T 时, 电子密度分别为 1.7010、3.1910、5.1510/m, 相应的比值为 11.873.02;流量为 6 L/min 时, 电子密度分别变为9.4910、1.1510、1.4610/m;此时, 磁场为 0.2、0.3 T 时的电子密度比磁场为 0.1 T 时分别增大了 1.21 倍和 1.53 倍。这是由于在磁场中, 带电粒子做拉莫尔运动, 拉莫尔半径为 。磁场越强拉莫尔
18、半径越小, 单位体积内束缚的带电粒子就越多, 表现为氦等离子体的电子密度随磁场强度的增加而增加18。图 5 (b) 是电流为 90 A, 磁场分别为 0.1、0.2、0.3 T 时, 氦等离子体的电子温度随氦气流量的变化关系。由图可知, 电子温度随氦气流量、磁场的增大而增大。图 5 (c) 表示电流为 90A、磁场为 0.1 T 时, 氦原子光谱强度与氦气流量的关系。图中随着流量的增大, 光谱强度呈线性增加趋势。图 5 (a) 、 (b) 是电流为 90 A, 磁场分别为 0.1、0.2、0.3 T 时, 电子密度、电子温度随氦气流量的变化曲线; (c) 是电流为 90 A, 磁场为 0.1
19、T 时, 光谱强度随流量的变化曲线 Fig.5 Dependence of (a) the electron density (b) the electron temperature on the flow-rate at 90 A and 0.10.3 T and (c) the spectral intensity as a function of flow-rates at 90 A and 0.1 T 下载原图2.2 氦等离子体的热负荷、离子通量研究等离子体的离子通量与等离子体的电子密度及等离子体速度有关, 且满足公式式中, c s为等离子体声速;n e、T e分别为等离子体的电子密度
20、和电子温度;A i为氦的质量数19。图 6 (a) 表示放电电流为 90 A、磁场分别为 0.1、0.2、0.3 T 时, 离子通量随流量的变化曲线。由图可知, 在同一磁场下, 随着流量的增大离子通量呈线性增加趋势。磁场为 0.3 T、流量为 2 L/min 时, 离子通量为 1.0110/ms;流量为 6 L/min 时, 离子通量增至 3.6910/ms, 随流量的增长离子通量增大了3.64 倍。同一流量下, 离子通量随磁场的增大而增大。流量为 5 L/min, 磁场为 0.1、0.2、0.3 T 时, 离子通量分别为1.4910、2.1510、2.9310/ms。离子通量与等离子体电子温
21、度、电子密度有关, 流量、磁场的增大导致电子温度、电子密度的增加, 离子通量也随流量、磁场的增大而不断增大。等离子体的热负荷满足下式式中, k 为玻尔兹曼常数, 为鞘层热传递系数 (一般在 67 之间, 本文取为6.5) , Te为电子温度, i为离子通量20。如图 6 (b) 是电流为 90 A 时, 在不同磁场下热负荷随氦气流量的变化曲线。由图可知, 磁场一定时, 热负荷随氦气流量的增大呈线性增加趋势。电流为 90 A、磁场 0.3 T、流量 2 L/min 时, 热负荷为 3.29 k W/m;流量为 6 L/min 时, 热负荷为 19.68k W/m;流量一定时, 随着磁场的增大热负
22、荷也不断增大。流量为 6 L/min、磁场为 0.1、0.2、0.3 T 时, 热负荷分别为 6.05、11.07、19.68 k W/m。磁场强度为 0.3 T 时的热负荷比磁场强度为 0.1 T 时增大了 3.25 倍。2.3 氦等离子体离子通量的径向分布及气体效率研究图 7 是电流为 90 A、磁场为 0.2 T 时, 不同流量下, 距喷口 0.29 m 处离子通量的径向变化曲线。由图可知, 中心位置处, 流量分别为 2、3、4 L/min 时, 离子通量分别为 6.03310、1.12110、1.70410/ms;相同条件下, 距中心位置 0.02 m 处, 离子通量分别变为 1.80
23、510、3.21510、5.29010/ms;在流量分别为 2、3、4 L/min 时, 距中心位置 0.02 m 处的离子通量分别降为中心位置处离子通量的 30%、28.6%和 31%。图中平滑曲线为对离子通量径向分布的拟合结果, 拟合曲线满足高斯分布且与实验曲线符合的很好。拟合函数分别为流量为 2 L/min流量为 3 L/min图 6 电流为 90 A, 磁场分别为 0.1、0.2、0.3 T 时, 离子通量和热负荷随氦气流量的变化 Fig.6 Ion particle flux and heat flux depend on the flow-rate at 0.1 T0.3 T an
24、d 90 A 下载原图图 7 电流为 90 A, 磁场为 0.2 T 时, 不同流量下离子通量的径向分布及其拟合曲线 Fig.7 Radial distribution of the ion flux at different flow-rates and fitted curve 下载原图流量为 4 L/min利用拟合曲线, 将离子通量的径向分布曲线外推到整个截面, 并对其积分得到该截面每秒通过的离子总数为其中, r, =r-r 0;r0为离子通量的径向分布中心;0.14 m 为圆柱形腔室的半径。表 1 为不同流量下, 输入通量 in、输出通量 及对应的探针处的气体效率Tab.1 Influ
25、ence of the flow-rate on the input particle fluxin, ion particle fluxand gas efficiency 下载原表 表 1 是上述计算的对应结果, 其中, in为向等离子体源每秒输入的粒子数、 为距喷口 0.29 m 处整个截面每秒通过的氦离子数、 为对应的气体效率=/ in。流量分别为 2、3、4 L/min 时, 对应的 in比值为 11.52;对应的比值为 11.853.12。气体效率 分别为 0.778%、0.961%、1.21%。随着输入流量的增加输入粒子数增大, 但由于氦的不完全电离及在输运过程中氦离子与电子不断
26、发生复合, 导致到达测试位置的氦离子的数目远小于输入的粒子数。输入粒子数为 1.7910/s 时, 距喷口 0.29 m 处整个截面的氦离子数可达 2.1710/s, 对应的气体效率约为 1%。3 结论本文主要研究了三阴极源下氦等离子体电子温度、电子密度、热负荷、离子通量等随磁场、流量、电流的变化关系, 结论为:(1) 随着磁场、流量、电流的增大, 氦等离子体电子温度、电子密度呈线性增加趋势。电子密度可达到 10/m, 电子温度小于 1 e V。(2) 热负荷、离子通量随氦气流量、磁场强度的增大而增大;热负荷最大可达19.68 k W/m;粒子通量可达 10/ms。(3) 氦气在等离子体源发生
27、部分电离并向外扩散不断和电子发生复合, 到达距喷口 0.29 m 处截面的氦离子数可达 10/s, 约占输入粒子数的 1%左右。参考文献1De Temmerman G, Daniels J, Bystrov K, et al.Melt-layer Motion and Droplet Ejection under Divertor-Relevant Plasma ConditionsJ.Nuclear Fusion, 2013, 53 (53) :023008 2闫洪一, 龚先祖, 李建刚, 等.超导托卡马克 EAST 限制器材料的腐蚀与沉积的研究J.真空科学与技术学报, 2012, 32 (
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