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)高熱負荷和強粒子流的轟擊作用。這種等離子體與壁材料相互作用(Plasma Wall Interaction，PWI)過程往往會伴隨著PFM的濺射刻蝕，雜質(zhì)輸運、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、原位分析PFM表面成分的診斷方法

2、，進一步深入研究復(fù)雜的PWI過程，完善未來PFM的設(shè)計方案。
　　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，對于超高真空、強磁場等嚴酷環(huán)境下的實驗研究相對匱乏。如何進一步提升LIBS系統(tǒng)的探測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)元素和滯留燃料進行了單脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜(SP-LIBS)分析測試，研究了氣壓對光譜信號的影響，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，達到了顯著提升探測靈敏度、空間分辨率的目的。具體內(nèi)容如下:
　　第二章針對納秒激光誘導(dǎo)等離子體動力學演化過程，等離子體溫度、密度、光譜特性等物理參

4、數(shù)變化規(guī)律進行了討論。通過LIBS方法對2010年EAST托卡馬克裝置等離子體輻照前后PFM表面成分進行了對比研究，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)測試結(jié)果相一致。通過逐點掃描的方式成功獲得了各雜質(zhì)元素空間分布情況，首次測得偏濾器石墨瓦表層共沉積雜質(zhì)層厚度約為60μm，驗證了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。
　　第三章通過實驗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)輻射強度逐漸降低，而原子、離子發(fā)射譜線強度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，大約在1～100mbar區(qū)間出現(xiàn)極大值。這種現(xiàn)象是氣壓環(huán)境對等離子體約束和激光誘導(dǎo)等離子體對納秒激光脈沖后延屏蔽作用兩種競爭機制間共同作用的結(jié)果。當氣壓低于10-2mbar之后，環(huán)境對

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)境下成功檢測到了第一壁鉬瓦表面和瓦間縫隙內(nèi)所滯留的氘(D)信號，這為EAST裝置等離子體放電過程中燃料滯留輸運研究提供了直接的實驗數(shù)據(jù)。
　　第四章作為本論文的研究重點，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診斷的探測靈敏度，進一步提升了對痕量元素的精確分析能力。實驗結(jié)果顯示在3×10-5mbar條件下，脈沖時間間隔為1.5μs時，DP-LIBS方法所采集到的等離子體光譜信號強度較傳統(tǒng)的SP-LIBS方法增強6.5倍。通過DP-LIBS方法成功探測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)的全元素實時診斷等諸多優(yōu)勢。
　　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表面的前提下，對第一鏡表面超薄（0.8μm）共沉積雜質(zhì)層進行縱向超高空間分辨（80nm/pulse）的診斷