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HT-7超导托卡马克壁He辉光硼化

更新时间:2020-11-26 16:54:22 浏览量:145
        在受控核聚变实验中,等离子体杂质通常由于等离子体与壁的相互作用而产生,而杂质辐射等离子体能量对聚变实验是十分有害的。由于杂质辐射的能量随着等离子体有效电荷数的增大而急剧增大,所以必须尽可能地降低金属杂质的含量。为了达到这个目的,通常在托卡马克壁沉积一层低电荷数的碳膜,此碳膜阻止了等离子直接与金属壁的作用,减少了金属杂质产生的机会。这种壁处理方式称为碳化。碳化大大降低了等离子体中金属杂质的含量,使等离子体性能有较大的改善。在碳化装置中,z*主要的杂质是氧和碳,其主要危害是稀释等离子体浓度,限制等离子体向高参数进一步发展。实验表明,在碳化装置中,未被碳化到的表面释放的水蒸气是氧杂质的主要来源。水蒸气从托卡马克壁表面解吸,进入等离子体中,被裂解、电离,氧离子在鞘电位作用下又回到壁的碳膜中,随后以CO形式释放到等离子体中。CO进入等离子体后又被电离成碳和氧,这样氧就在真空室中循环。从上述分析来看,若能阻止氧的再循环,则碳、氧杂质都将减少。实验证明:硼(电荷数是5)元素与氧有较强的亲和力,两者易于结合形成三氧化二硼固体。这样如果碳膜中有硼元素,那么实验时产生的氧杂质将被硼元素捕获,而中断氧的再循环。此时,氧、碳杂质的含量势必会减少。这种技术称硼化,即在托卡马克壁沉积一层由硼、碳元素组成的膜。        1989年TEXTORs*先应用硼化技术。它以已硼烷(B2H6)和甲烷(CH4)为原料,用射频辅助的氦气直流辉光放电进行硼化,获得了约50nm厚的B/C膜。硼化后等离子体有效电荷数(核聚变实验所用工作气体是氢,其电荷数是l,若工作气体含有杂质,则其有效电荷数于1)接近1,等离子体杂质辐射能量大大降低,等离子体品质有了全面的改善。随后许多其它装置都进行了硼化实验,如JT- 60U和T-3M等,取得了理想的效果并且完善了硼化技术。        实验还发现采用等离子体增强化学气相沉积法形成的膜是一层多孔膜,它能吸人大量的氢气,称之为膜的驻氢性。当鲜膜暴露在氢气中,在z*初的20s内膜强烈吸气,接着是漫长而缓慢的吸气过程,直到3h未见饱和。当托卡马克壁是不锈钢材料时,等离子体放电一段时间后,不锈钢壁上吸附的氢气会在放电期间返回真空室,使得等离子体密度不可控。对B/C膜来说,由于它的驻氢性,放电期间壁上的氢不易返回等离子体中,从而使等离子体密度可控,等离子体稳态运行区域扩展。另外B/C膜是一种耐腐蚀性好的膜,特别是硼碳之比为3的膜,其腐蚀产额只有碳膜1%。        HT-7壁材料是不锈钢,硼化前聚变等离子体有效电荷数约为5,说明等离子体杂质含量高,从而杂质辐射的能量损失较大,限制了等离子体向高参数发展。HT-7用安全无毒白色粉末状碳甲硼烷(C2BIOH12),进行了数次硼化实验,取得了很好的效果。硼化已成为HT-7常用的、重要的壁处理方式。         HT-7用射频辅助的等离子体增强化学气相沉积。技术对其壁进行硼化处理,获得非晶态的硼、碳膜(a - B/C: H),硼碳元素有膜的深度方向分布均匀,硼碳比约为3。这层膜沉积在壁而有效地保护着壁,减少了等离子体与壁直接作用,从而降低了等离子体中金属杂质的含量。膜的吸氧性使等离子体中氧杂质的再循环降低,减少了等离子体中氧杂质以及由氧引起的其它杂质的含量。杂质含量的降低使HT-7等离子体参数明显提高:有效电荷数降低到2以下,环电压低于1.5V,杂质辐射功率明显降低。由于多孔膜的良好的驻氢性使壁氢的再循环得以改善,等离子体密度可控,扩大了等离子体稳态运行区域。另外硼化使HT -7能够快速进入稳态运行状态。从硼化效果可以看出,硼化为HT-7提供了良好的壁条件。  

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