射频辅助的直流辉光放电清洗在HL-2A装置上的应用

本文介绍了一套射频电极系统在HL-2A装置上的相关辉光放电清洗实验研究。本系统主要由具有水冷功能的螺旋结构射频电极和碟形波纹管伸缩传送装置组成。在高频交变电场作用下电子与气体分子发生碰撞的几率增加,射频电极对清除真空室器壁表面的低质量数杂质效率更高。电极通过循环水冷却,使其长时间使用不会产生明显变形,提高了该系统运行的安全性。系统工作时,通过步进电机无极调速来驱动丝杠带动与射频电极相连接传送杆压缩碟形波纹管前后运动快速调整电极位置。实验结果表明,射频天线形式的电极可作为直流辉光的阳极工作,射频辅助启辉降低了直流辉光的启辉气压和电压,提高了装置与抽气机组运行的安全性。射频辅助比纯直流辉光具有更高的清洗效率,为进一步开展与射频相关的壁处理研究提供了条件。     

高分辨四极质谱计在HL-2A装置上的应用

将具有分辨氦(He)和氘(D2)能力的高分辨四极质谱计安装到HL-2A托卡马克装置上,同时送入氦气和氘气,得到了质谱计可分辨的最小He+/D2+峰值比.分别对真空室在辉光放电清洗前后、不同等离子体放电次数的氢同位素和氦进行测量,观察到四种工况下质谱峰m/q=4的主要成分为D2+,He+只在辉光放电清洗中作为工作气体引入.向真空室送入氘气后,比较了由分子泵和低温泵抽气的质谱情况.分压强的测量结果表明低温泵对氘气的抽速大于分子泵约18％.实验结果初步验证了高分辨四极质谱计应用于托卡马克装置可靠真空检漏和残余气体成分精确分析的可行性,并为托卡马克装置抽气泵的选型提供了依据.     

HL-2A托卡马克真空烘烤除气性能研究

120℃过热水循环系统对HL-2A主机真空室进行烘烤除气,温升梯度为±1.5℃,持续时间302 h。烘烤过程包含两个恒温阶段,90℃热平衡后真空度达到4.8×10-4Pa,120℃热平衡后真空度达到2.3×10-4Pa。真空室经过烘烤除气后真空度为2.2×10-5Pa。结合实验数据,通过拟合函数建立数学模型对真空度变化规律进行趋势分析,验证了过热水烘烤除气在HL-2A装置真空系统运行中的合理性和重要性,为300℃以上高温烘烤除气方案的制定提供依据。     

射频驱动频率对托卡马克装置辉光放电清洗特性的影响

HL-2M装置初始放电阶段,分别采用2.1 MHz,13.56 MHz和40.68 MHz三种频率的射频电源开展了射频-直流辉光放电清洗实验,研究射频驱动频率对放电清洗特性的影响。预加载功率1500 W时,2.1 MHz放电的击穿气压为2.0×10^-1 Pa,13.56 MHz放电为5.6×10^-1 Pa;而40.68 MHz叠加直流偏压后在9.2×10^-1 Pa实现击穿。对三种频率辉光放电清洗实验过程中的残余气体成分进行监测,结果表明杂质产额由高到低为：2.1 MHz>40.68 MHz>13.56 MHz。由于低频放电具有较多的加热电子数,所以2.1 MHz放电的杂质产额最高。而虽然40.68 MHz放电的功率耦合效率最低,但由于具有高的等离子体密度,其杂质产额高于13.56 MHz。可见2.1 MHz的射频-直流辉光放电在HL-2M装置初始放电阶段具有最优的清洗特性。然而由于不同频率的功率耦合效率不同,同样会对清洗效率产生影响,因此下一步首先应解决阻抗匹配问题以提高耦合功率。     

HL-2A装置硅化镀膜壁处理控制杂质行为研究

硅化壁处理能有效控制等离子体杂质和再循环水平,是HL-2A装置的常规壁处理手段。介绍了HL-2A装置的硅化壁处理系统以及硅化镀膜壁处理控制杂质行为的主要研究进展。HL-2A装置硅化壁处理系统包括离线硅化和在线硅化壁处理系统,分别采用辉光放电辅助沉积以及等离子体放电辅助沉积进行硅化镀膜壁处理。实验结果表明,离线硅化壁处理后氧杂质明显降低,但随着实验进行会逐渐增加,硅化镀膜寿命约150炮。为进一步开展研究,HL-2A采用了在线硅化壁处理技术,研究发现在线硅化壁处理过程中碳、氧、铁等杂质均有所减少。两种硅化方式下真空室内的H₂O、CO含量均明显降低,在线硅化壁处理耗气量远少于离线硅化。通过硅化壁处理,有效地提升了HL-2A等离子体性能,也为未来聚变装置稳态运行器壁的处理提供了重要技术参考。     

中国环流三号（HL-3）壁处理系统研制

托卡马克装置壁处理系统对获得高真空、洁净的器壁条件至关重要。介绍了中国环流三号(HL-3)装置真空系统中的壁处理各子系统设计及研制概况。分析了壁处理系统调试运行过程和特点,设计了烘烤系统和直流辉光清洗系统的运行方案。分别对烘烤系统、直流辉光清洗系统以及射频辅助直流辉光放电系统的首次运行结果进行了讨论。通过应用壁处理系统,配合真空抽气系统,HL-3装置真空系统运行达到预期目标,初始放电前装置最小压力达到2.4×10^-6 Pa。     

HL-2A装置器壁处理质谱分析

为了对HL-2A装置升级改造后的器壁处理效果展开分析，使用四极质谱计对HL-2A装置壁处理过程中或壁处理前后的残余气体进行了质谱测量。利用粒子平衡方程和质谱图变化分析了直流辉光放电清洗过程中的气体成分变化。研究了HL-2A装置壁处理的性能并优化了He+D₂-GDC的氦氘比例参数。结果表明：HL-2A装置真空室烘烤除气后，残余气体中H₂O所占百分比由烘烤前的92%降至56%，真空室真空度达到2.2×10^-5Pa；在不同阶段利用H₂-GDC、He-GDC、He+D₂-GDC进行壁处理消除了真空室内部件升级改造对壁处理造成的不利影响，保障了HL-2A装置等离子体放电实验的开展。