托卡馬克類ITER第一壁材料激光燒蝕光譜和質(zhì)譜研究.pdf

1、磁約束聚變裝置中面向等離子體第一壁材料的腐蝕、雜質(zhì)輸運(yùn)以及再沉積，尤其是燃料的共沉積滯留對聚變反應(yīng)的運(yùn)行以及安全性具有重要的影響。第一壁材料表面成分狀態(tài)的在線監(jiān)測與分析能夠?yàn)榫圩兊倪\(yùn)行提供指導(dǎo)。由于聚變裝置條件限制，很多分析手段都不能用于在線分析，而基于激光燒蝕的激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)可實(shí)現(xiàn)非接觸、遠(yuǎn)程測量，因此能夠用于聚變裝置中第一壁沉積層成分、含量以及燃料滯留的在線分析與去除。針對這些問題，本論文主要開展了以下幾個(gè)方面的工作:

2、
　　第二章研究了激光和材料相互作用的特性，包括等離子體隨時(shí)間演化過程和等離子體羽速度以及等離子體參數(shù)（如電子激發(fā)溫度、電子密度）變化及其和激光功率密度、背景氣體和壓強(qiáng)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)電子激發(fā)溫度和電子密度隨激光功率增加而增加。采用激光燒蝕模擬裝置邊緣等離子體腐蝕材料產(chǎn)生的塵埃顆粒特性，通過研究不同激光功率條件下材料的燒蝕率和燒蝕閾值，研究激光和材料相互作用過程機(jī)理，得到了激光燒蝕材料的三個(gè)階段:正常蒸發(fā)、等離子體屏蔽和相爆炸階段

3、。通過比較不同激光功率密度條件下光子效率以及光譜行為，發(fā)現(xiàn)等離子體屏蔽階段最適于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的在線分析。激光消融去除的研究中，本論文在得出了不同材料的激光燒蝕功率閾值后，選擇大于沉積層而小于基底材料的燒蝕閾值功率的激光燒蝕HL-2A中第一鏡以及類ITER混合沉積層，得到了較好的去除結(jié)果。
　　第三章首先在無磁場裝置條件下利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜方法對類ITER混合沉積層進(jìn)行了定性和定量分析:研究了不同共沉積層元素的深度分布和不同激

4、光功率條件下不同成分的剝離速度，以及燃料的滯留和去除機(jī)理分析，為選擇合適的激光能量進(jìn)行表征或者沉積物去除提供參考。對去除過程進(jìn)行光譜監(jiān)測，根據(jù)所得到的光譜特性，可以在線控制去除過程以避免損害基體材料。定量分析方面，采用斜率法、自由定標(biāo)法和自行發(fā)展的絕對定標(biāo)法三種定量分析方法對比分析共沉積層中各元素成分。通過與其他分析方法比較得出，譜線的選擇對元素成分定量分析結(jié)果的影響非常大。為了得到比較合理的結(jié)果，需要選擇非共振吸收譜線，或者能級較高并

5、且無其他譜線干擾的譜線進(jìn)行分析。在三種方法中，前兩種能給出各個(gè)成分的相對濃度，第三種方法能夠得到樣品中各個(gè)成分的具體含量。本論文中采用的光譜儀沒有時(shí)間門及時(shí)間延遲選擇的功能，自由定標(biāo)法的基本假設(shè)不成立，由該方法得到的定量分析結(jié)果誤差較大，另外兩種方法能夠給出相對合理的定量分析結(jié)果。
　　在TEXTOR高磁場條件下研究了磁場對產(chǎn)生的LIBS發(fā)射譜線空間分布及對邊緣等離子體的影響。實(shí)驗(yàn)表明，激光燒蝕產(chǎn)生的等離子體發(fā)光強(qiáng)度由于磁場約束而

6、增強(qiáng)，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，不同電離態(tài)的元素變化規(guī)律不同:中性成分的譜線強(qiáng)度隨磁場變化基本不變，CⅡ譜線在靠近樣品表面附近區(qū)域隨著磁場增大而增強(qiáng)，而CⅢ譜線隨著磁場增加而稍有降低。但是在整個(gè)等離子體空間區(qū)域，CⅡ譜線增強(qiáng)不明顯，而CⅢ譜線隨著磁場強(qiáng)度總體增強(qiáng)，這是由于磁場對不同電離態(tài)成分約束程度不同導(dǎo)致的。
　　第四章采用飛行時(shí)間質(zhì)譜和激光微探針質(zhì)譜分析了激光燒蝕第一壁材料碳和鎢以及HL-2A中第一鏡材料的沉積層產(chǎn)生的物種，并提出

7、了用于在線分析的初步實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用分子束進(jìn)樣能夠提高質(zhì)譜的分辨率以及更豐富的物種信息，微探針質(zhì)譜能夠提供不同區(qū)域的成分分布和深度分布信息，為推知沉積層來源以及燃料的滯留分析提供參考。對激光直接電離飛行時(shí)間質(zhì)譜譜峰寬度進(jìn)行分析，可以得到不同物種的橫向速度分布。本論文設(shè)計(jì)了一個(gè)速度限制器對所產(chǎn)生的物種進(jìn)行篩選，即選擇具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)以及特定速度的粒子通過，通過速度限制器的幾何參數(shù)，粒子的初始發(fā)射速度為104m/s的量級，與CCD