ktx辉光放电清洗系统初步设计

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1、KTX是新一代反场箍缩核聚变实验装置，主要设计参数介于RFX和MST。KTX装置等离子体大小半径分别为1．4和0．4米，电流为1MA，单炮放电时间为30一lOOms⋯。KTX真空室为圆形截面，截面半径为400mm，内表面积约21．4m2，放电前要求真空室内本底真空为10书Pa量级。为降低真空室表面因溅射而产生的金属重粒子杂质，整个真空室表面用石墨瓦覆盖。由于真空室暴露大气后，真空室壁会吸附大量的水，油蒸汽，氧及复杂的碳氢化合物，在真空系统抽气过程中上述杂质会缓慢的释放，影响真空抽气。高温烘烤及放电清洗是当前用于核聚变实验装置的最常见壁处理方式。200℃左右的高温烘烤能大量的除掉水蒸气，同时通过

2、高温增强杂质粒子的微观热运动提高放电清洗效果。辉光放电清洗(GDC)由于系统结构简单，气体激发放电后等离子体能迅速较均匀的充满整个真空室因此被广泛应用于核聚变装置实验前无磁环境下的壁处理。正常辉光放电过程中由于雪崩效应产生大量的二次电子，并引发低压气体电离，电离产生的离子经加速电场作用形成高能粒子轰击器壁诱导杂质离解释放，最终杂质被真空系统抽除。1．KTX辉光放电类型选择及参数制定1．1辉光放电工作气体的选择辉光放电主要的除杂对象为：C，0及碳氢化合物，常用的放电工作气体为H：，D。，Ar，He等。活性的H。，D。可以通过与器壁表面的C，0等杂质发生化学反应从而将之除去，D：活性较高通常比He

3、有更高的杂质清除率。H：或D。放电清洗后，在真空室石墨瓦壁上会有大量的渗透和滞留，而石墨对He的捕获率很小，因此在H：或D：放电后一般会紧接进行He辉光放电以降低上述气体在器壁上的残留。除此，混合工作气体的放电清洗研究也曾在相应聚变装置上开展，如在HL—lM装置上进行过一体积He加三体积H：的放电研究；在ASDEX-U上进行过0：(含量低于20％)与He气混合气体的放电清洗研究口1。参考世界现有核聚变装置的辉光放电清洗经验KTX在持续高温烘烤后先进行纯H：放电除杂，之后通过纯He放电，降低H：的滞留量。1．2放电气压及电极电源电流、电压的计算低压辉光放电工作气体的典型气压为0．05Pa—lOP

4、a，工程上常用气压为0．5Pa。辉光放电等离子体的平均电子能量在卜lOeV之间，电子密度在10”一1018／m3，为得到有效的表面杂质去除率，辉光放电等离子体电流密度一般为0．03—0．2A／m2。图一反映的是世界上主要托卡马克的辉光放电参数比’83，从图中可知典型的放电气压为0．3Pa。参考其他装置经验，KTX辉光放电清洗时的工作气体压力为0．3Pa，等离子体平均电流密度以垤为0．15k／m2，故辉光电极电源提供的总电流Itot--,占ve,9=3．21A(1)其中，．沩KTX真空室内壁总面积(21．4m2)。图一：世界主要托卡马克的辉光放电气压及电流密度参数RglTheworldmaint

5、okamaks'(IX]parametersofgaspressureandcurrentdensity根据汤生放电理论，随着放电电极间的的电压升高，白激载流子在电场力的作用下加速运动，高速电子与气体分子碰撞引起电子的繁衍过程，产生大量的二次电子，当倍增系数：O=：g(，d-1)=1(2)时，系统进入稳定自持放电。式中：}，是阴极表面的二次电子发射系数，口是汤生电离系数，d是电极间距。自持放电开始瞬间，电极间压降迅速降低并维持在一个相对稳定值，放电破裂电压值K可通过帕邢定律(Paschen’slaw)求得：一BPd(3)’5一—In(Pd)+lnA—+ln(1+7)式中，月、B是与放电气体有光

6、的维象学常数，P为工作气体压力。因此满足辉光放电清洗系统的直流电源电压应在0一№范围内可调，妇的具体值需实验测得。2．辉光电极数日及安装位置的选择增加电极数量可以降低每个电极上的电流大小，从而降低电极放电部位的沉积热。考虑KTX装置的整体尺寸较小，在其真空室环向对称安装两套辉光电极，每组电极的上的输入电流量为1．6A。辉光电极与真空室壁间距离过小，在高电压激发过程中电极与壁面易发生电弧放电，电弧放电能在放电点处瞬间产生高温，大量高能粒子轰击阴极(真空室内壁)引起局部材料的金属粒子溅射。除此，电极的安放位置能影响辉光等离子体电流密度的均匀性，JET装置的He辉光放电实验发现，真空室内壁不同区域的

7、电流密度大小与该区域到阳极间的距离L的平方成反比瞄3。为了研究不同电极位置所引起的真空室壁面处的电流密度的不均匀性，如图2-b所示取辉光电极的中平面(竖直)，及两套电极的对称平面(辉光电极中平面绕装置中心轴转过900)作为电流密度分布的研究平面，各截面上沿极向取如图2-a所示的36个区域进行电流密度统计。(a)．ThesectionofKIXW(b)．Theanodesarqangement013