三阴极级联弧源下氦等离子体的特性研究

《三阴极级联弧源下氦等离子体的特性研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、三阴极级联弧源下氦等离子体的特性研究张志艳曹小韩磊马小春荀富均韦建军川大学原子与分子物理研宄所四川大学原子核科学技术研宄所采用课题组自行研制的高密度低温三阴极等离子体源研宄了氨等离子体的基本特性，拟为研究边缘氦等离子体与偏滤器材料的相互作用提供参数。研宄结果表明：(1)気等离子体电子温度、电子密度均随氦气流量、磁场、电流的增大呈线性增加趋势。其屮，电子密度可达1019nf3,电子温度小于1eV。(2)氦等离子体的热负荷及离子通量随磁场、流量的增加而增加，且离子通量可达lO^s1,热负荷可达19.68kW/m2;(3)氦原子光谱随放电电流、氦气流量的增大而增大;(4)距喷口2

2、9cm处的整个截面通过的离子数可达10l9/s,约为输入粒子总数的1%左右。关键词：电子密度;电子温度;热负荷;离子通量;为了优化偏滤器性能、延长其使用寿命，需要获得与实际工况中参数相近的高通量等离子体对偏滤器与等离子体的相互作用进行模拟，这对于理解偏滤器与等离子体的相互作用机制及偏滤器材料的选取都有重要意义［1-5］。截至A前，为Y获得高通量等离子体，各国研宄机构相继搭建Y不同的直线等离子体装置并对其放电特性进行研宄UM。荷兰的Hayash等研究了Pilot-PSI直线装罝中三阴极源产生的氨等离子体特性。研究结果表明，当放电电流为170A、磁场为0.05T、流量为2.5L

3、/min（标准状态）时，距喷嘴40mm处电子密度可达8X10/m、电子温度可达3eV［11］oH木的ShinKajita等采用探针和光谱诊断设备研究了NAGDTS-TT直线装置中LaB6高密度等离子体源产生的氦等离子体特性。研究结果表明，当放电电流从45增大到100A吋，氦等离子体的电子密度从7X10/m增大到2X10/m3［12］。美国的Ilirooka等［13］研究YPISCES-B直线装置中LaB6等离子体源产生的氩、氦、氢、氘、氮等离子体犄性，实验结果表明，等离子体的电子密度在lXl（T3X10/m的范围内变化，电子温度变化范围为3~51eV。三阴极源具有可产生高密

4、度、高通量等离子体等优点，但设计闲难，0前国内还没有成熟的三阴极源。为研究等离子体与材料的相互作用，四川大学先进核能实验室自主研制了三阴极级联弧等离子体源，并由本文利用可移动朗缪尔探针和多通道光谱仪对该源在不同条件下产生的氦等离子体特性进行研宄；另外本文首次通过对测得的径向离子通量拟合及外推到整个截面进行积分得到了整个截面每秒通过的离子数（r），再由r与输入粒子数（rin）相比得出•其对应的气体电离效率。此研宂将为理解等离子体与材料的相互作用机理和过程提供参考。1实验装置及方法图1为课题组自主研制的三阴极直线等离子体装置，该装置外径为0.6m，内径0.28m。主要包括:三阴

5、极源、真空系统、等离子体诊断系统等。真空系统由机械泵、两个罗茨泵及气阀等组成，背景压强可达5X10Pa。三阴极源可将气体电离形成等离子体并由磁场将等离子体进行约束，其中，轴向磁场在（T0.45T范围内可调。等离子体诊断系统包括:光谱、朗缪尔探针等诊断设备可实现对腔室内的诊断及观察。木实验釆用朗缪尔探针及多通道光谱仪在距喷U0.29m处对氦等离子体的电子温度、电子密度、光谱强度等进行测量。图2为三阴极级联弧等离子体源。该等离子体源主要包括阴极、等离子体通道、进气口、喷口、水冷等。阴极由三根通电的钨针组成，气体从进气口通入并与钨针尖端聚集的电子发生碰撞形成等离子体。由于等离子体

6、腔室和真空腔室之间存在巨大的压强差，产生的等离子体从喷口喷出并以超音速的速度向真空腔室扩散。经过一个超音速扩展与震动过程，在腔室中形成亚音速扩展的稳定等离子体束［14］，本实验是在距离喷门0.29m的亚音速稳态区域进行测量。source图1直线等离子体装置示意图Fig.1Schematicdiagramofthe1inearplasma卜载原图图2三阴极级联弧等离子体源Fig.2Schematicsofthelab-builttriple-cathodecascadedarcplasmasource2实验结果与讨论2.1氦等离子体电子密度、电子温度、光谱强度研宄为了解不同条

7、件下此三阴极等离子体源产生的等离子体的具体参数，本文对不同条件下产生的氦等离子体的电子温度、电子密度、光谱进行测量。图3(a)表示氦气流量为3L/min、磁场强度为0.2T时，氦等离子体电子密度与放电电流的关系。由图可知，随着放电电流的增大电子密度呈线性增加趋势。放电电流分别为60、120A时，氦等离子体的电子密度分别为3.63X10和7.36X10/m。与电流为60A时的电子密度相比，电流为120A时电子密度增大了2.03倍。阁3(b)为和同条件下，电子温度随放电电流的变化曲线。由图可知，电子温度随放电电流的增大