輝光放電清洗被廣泛應(yīng)用于聚變裝置的壁處理，但是對于未來國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆全金屬壁條件下的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，需要積累更多經(jīng)驗(yàn)。HT-7 托卡馬克從2011 年開始，采用全金屬第一壁，包括鉬限制器和不銹鋼內(nèi)襯，而且具有抑制雜質(zhì)和降低再循環(huán)功能的鋰化，也被HT-7 用為常規(guī)的壁處理。研究發(fā)現(xiàn)，輝光放電清洗對于鋰化金屬壁同樣具有雜質(zhì)清除效果。全金屬壁條件下，He 輝光對于H，O，C 的清除率分別達(dá)到4.2 × 10²³，1. 1 × 10²²，2. 4 × 10²¹ atoms /h，鋰化條件下，He 輝光的清除率具有相似水平。此外，文章還研究了不同種類氣體和壁溫對于輝光效果的影響。先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置( EAST) 不久也會采用鎢偏濾器和鉬第一壁，因此本文研究的內(nèi)容對于全金屬壁的EAST 也同樣具有重要意義。

　　聚變裝置托卡馬克高功率的運(yùn)行將帶來嚴(yán)重的等離子體與壁相互作用，特別是在像國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆( ITER) 這樣的未來超導(dǎo)托卡馬克中。為了獲得高參數(shù)等離子體放電，必須有效地抑制和消除壁上的雜質(zhì)以及降低氚的再循環(huán)。而有效的壁處理就能夠減少雜質(zhì)和降低氫同位素的再循環(huán)，因此許多裝置都在研究一些壁處理手段，例如烘烤，放電清洗，薄膜沉積等。將第一壁在大約200℃下烘烤能夠有效從器璧上釋放雜質(zhì)。輝光放電清洗和離子回旋清洗能夠產(chǎn)生高能粒子轟擊壁表面，引起電子或離子誘導(dǎo)的雜質(zhì)釋放，因此也被廣泛應(yīng)用于改善壁條件。將低Z 材料以薄膜沉積的形式( 如鋰化、硅化、硼化) 涂覆在面向等離子體部件上，也被用于抑制雜質(zhì)以減少雜質(zhì)輻射。

　　盡管超導(dǎo)托卡馬克裝置中高強(qiáng)度磁場的存在限制了輝光放電清洗的使用，但在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行前期沒有環(huán)向磁場的情況下，輝光放電清洗和烘烤依舊是最重要的壁處理手段。而且輝光放電清洗也被ITER 考慮作為一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)應(yīng)用于真空室暴露于大氣之后的壁處理。Tore Supra 中，烘烤、D2輝光和He 輝光是被作為標(biāo)準(zhǔn)的壁處理程序來運(yùn)用，有12 個(gè)主動(dòng)冷卻輝光電極放置在真空室中。而且在D2輝光之后，可用He 輝光來減少器壁中氘的濃度。KSTAR 中，在利用He 輝光的硼化過程中，從碳硼烷中脫離的殘余H 原子，使得在接下來的等離子放電中密度難以控制。而用D2輝光代替He 輝光之后的硼化過程中，硼膜中大約30% ～ 40%的H 原子被D 原子所替代，從而有效減少了氫的水平。JT-60 中氚移除的實(shí)驗(yàn)顯示，由于H2輝光中的化學(xué)過程，H2輝光比He 輝光有更高的氫同位素( 氚和氘) 釋放率。在TEXTOR 和Tore Supra 中，同位素置換效率的對比結(jié)果顯示，相對于離子回旋清洗，輝光放電清洗具有高出5-10 倍的清除率。這是因?yàn)殡x子回旋清洗有很高的再電離幾率，導(dǎo)致解吸的雜質(zhì)又會再沉積到器壁上。

　　鋰化也是一種重要的壁處理方法，在NSTX 和TFTR 等裝置上，分別有很多的研究。鋰是一種低原子序數(shù)的金屬，它的高比熱性質(zhì)和很強(qiáng)的雜質(zhì)吸附能力，使鋰也成為一種潛在的面向等離子體材料。用He 輝光作用于事先暴露于氫的鋰膜的實(shí)驗(yàn)表明，He 輝光能夠有效降低鋰膜中氫的飽和度。先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置( EAST) 中，鋰化之后的等離子體放電中，總的雜質(zhì)輻射被有效抑制，電子溫度也明顯提高。然而，隨著等離子體放電的運(yùn)行，鋰膜會逐漸被氫的同位素和其它雜質(zhì)所污染，因此，在HT-7 和EAST 中，每天清晨都會蒸發(fā)新鮮的鋰到器壁上。HT-7 中，為了減少器壁上存留的雜質(zhì)，在進(jìn)行新的鋰化之前，通常會用He 輝光來解吸被污染的鋰膜中的雜質(zhì)。

　　盡管輝光放電清洗被廣泛應(yīng)用于聚變裝置，大部分都是在碳壁條件下，而ITER 將使用鈹和鎢作為第一壁材料，因此研究ITER 相關(guān)壁條件下的輝光放電清洗仍舊十分必要。HT-7 第一壁材料是不銹鋼和鉬，鉬和鎢具有相似的性質(zhì)。鋰化在HT-7中是一種常用的壁處理方法，第一壁通常被鋰膜所覆蓋。鋰和鈹也具有一些相似的性質(zhì)，如低的原子序數(shù)和吸氧性，所以在壁材料的角度，HT-7 是一種ITER 相似的裝置。因此在HT-7 中，全金屬壁以及鋰化條件下輝光放電清洗的研究，對于未來ITER中輝光放電清洗的運(yùn)行具有十分重要的意義。在2012 年HT-7 秋季實(shí)驗(yàn)中，我們系統(tǒng)研究了全金屬壁以及鋰化條件下的輝光放電清洗。本文介紹了輝光放電清洗的具體過程，隨著持續(xù)的輝光放電清洗，真空中不同氣體的分壓變化，He 輝光和D2輝光的清除率，器壁溫度對清除率的影響，以及有無鋰化情況下的對比。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

　　HT-7 是一個(gè)具有超導(dǎo)環(huán)向線圈以及限制器位形的中型托卡馬克裝置，它的大半徑R = 1. 22 m，小半徑a = 0. 27 m。通常裝置運(yùn)行時(shí)，等離子電流Ip= 100 ～ 225 kA，中心電子溫度Te = 0. 5 ～ 3. 0 keV，環(huán)向磁場BT = 1. 5 ～ 2 T，中心等離子體密度ne = ( 1～ 6) × 1019 m - 3。第一壁面積為12 m²，包括不銹鋼內(nèi)襯和1. 88 m² 的鉬限制器。裝置真空抽氣采用三臺大型分子泵和三臺低溫泵，本底真空度能夠達(dá)到7 × 10 ^-6 Pa。

　　HT-7 的輝光系統(tǒng)包括兩個(gè)環(huán)向?qū)ΨQ的鉬電極，如圖1 所示。每個(gè)電極有獨(dú)立的供電系統(tǒng)，最大電壓為1000 V，最高電流為3 A。為了獲得穩(wěn)定設(shè)置的工作氣壓，使用具有反饋控制的壓電閥來控制充氣流量。實(shí)驗(yàn)中，通常采用He 氣或者D2氣作為工作氣體，壓強(qiáng)一般設(shè)置在0. 1 ～ 10 Pa。輝光時(shí)，低溫泵與內(nèi)真空隔離，只有兩臺分子泵工作。對于He和D2，兩臺分子泵總的有效抽速為2.01 m³ /s。

　　由于輝光放電清洗時(shí)的工作氣壓超過了殘余氣體分析儀( RGA200) 的量程( 小于1 × 10^-2 Pa) ，實(shí)驗(yàn)中采用了差分抽氣系統(tǒng)讓殘余氣體分析儀工作。差分抽氣系統(tǒng)由單獨(dú)的一個(gè)小型分子泵和獨(dú)立的真空室組成，獨(dú)立的真空室通過一個(gè)小流導(dǎo)管( 流導(dǎo)為0. 1 L /s) 和裝置內(nèi)真空室相連。通過安裝在差分抽氣系統(tǒng)上的殘余氣體分析儀，輝光期間不同氣體的分壓強(qiáng)能夠被實(shí)時(shí)采集。此外，作者也通過熱電偶溫度計(jì)實(shí)時(shí)測量了裝置第一壁的溫度。鋰化實(shí)驗(yàn)則在這輪實(shí)驗(yàn)的最后幾天進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

輝光放電清洗的過程

　　2012 秋季實(shí)驗(yàn)中，通常在每個(gè)夜晚進(jìn)行一次4～ 8 h 的輝光來進(jìn)行壁處理。整輪實(shí)驗(yàn)中，總共進(jìn)行了34 次，共204 h 的He 輝光，以及5 次，共24. 5h 的D2輝光。輝光擊穿時(shí)，每個(gè)電極的電壓通常設(shè)置在1000 V，氣壓設(shè)置在1 ～ 10 Pa。輝光擊穿后，將電流設(shè)置為2 A，工作氣壓設(shè)置為0. 8 ～ 1 Pa，此時(shí)差分抽氣系統(tǒng)的真空度約為( 2 ～ 8) × 10 ^{- 4} Pa。由于壓電閥反饋控制的延時(shí)反應(yīng)，氣體分壓在前幾分鐘內(nèi)會有一些波動(dòng)，但是很快就能穩(wěn)定保持在設(shè)定值。

圖1 HT-7 裝置中，輝光放電清洗系統(tǒng)的示意圖

　　實(shí)驗(yàn)期間，研究了每一次輝光過程中不同成分氣體分壓的變化。如圖2 所示，在第7 次輝光時(shí)，使用的是0. 8 Pa 的D2氣，第8 次輝光時(shí)，使用的是1Pa 的He 氣。在實(shí)驗(yàn)之前，裝置內(nèi)真空壓強(qiáng)為1. 7× 10 ^-5 Pa，差分抽氣系統(tǒng)壓強(qiáng)為8. 5 × 10 ^-6 Pa。輝光啟動(dòng)后，H2( M2) ，HD ( M3) ，H2O ( M18) 和CO( M28) 的分壓明顯增加，但是其他成分變化不是很明顯。分壓的顯著增加，意味著雜質(zhì)成分從器壁表面的強(qiáng)烈釋放，說明了輝光清洗的對壁處理的有效性。為了進(jìn)一步的分析，通過差分抽氣系統(tǒng)中各種氣體成分的分壓，計(jì)算出裝置中各種氣體成分的分壓，計(jì)算的結(jié)果將在后面的小節(jié)中用到。

圖2 D2輝光和He 輝光過程中，不同氣體分壓的變化

結(jié)論

　　本文討論了HT-7 托卡馬克裝置中，全金屬壁以及鋰化條件下的輝光放電清洗。文章首先介紹了聚變裝置中常用的壁處理方法，接著分別介紹了國內(nèi)外輝光放電清洗和鋰化的研究進(jìn)展，然后闡述了本文研究的內(nèi)容對于未來ITER 金屬壁條件下壁處理的意義。在研究結(jié)果中，先是詳細(xì)介紹了HT-7中的輝光系統(tǒng)，然后分別介紹了具體研究內(nèi)容。

　　啟動(dòng)輝光時(shí)，H2，H2O，和CO 分壓的明顯增加，說明了雜質(zhì)從壁上的強(qiáng)烈釋放，顯示了輝光清洗的有效性。對比歷次輝光清洗過程，H2O 和CO 的分壓逐漸降低到相對穩(wěn)定的值，說明通過輝光清洗，壁條件得到有效改善。通過比較He 輝光和D2輝光的清除率，發(fā)現(xiàn)D2輝光對于H 具有更高的清除率，而He 輝光對于C 和O 具有更高的清除率。

　　此外，還比較了不同壁溫下He 輝光的清除率，結(jié)果顯示，更高的壁溫能夠提高He 輝光對于C 和O 的清除率。文章最后討論了鋰化過程中，鋰膜中化合物的形成，并對比了有無鋰化狀態(tài)下，He 輝光過程中不同氣體的分壓和不同雜質(zhì)的清除率。對比結(jié)果表明兩種狀態(tài)下具有相似的輝光清洗效果，但是鋰膜對雜質(zhì)具有強(qiáng)烈吸收效果，因此鋰化結(jié)合輝光放電清洗對于壁處理會更有效。