磁化射频等离子体放电实验研究

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随着磁约束核聚变、等离子体材料加工、空间推进器等前沿科技的迅猛发展,磁化射频等离子体以其优异的性能正越来越受人们的关注。在磁约束核聚变研究中,壁清洗技术已被广泛应用于托卡马克装置中,用以降低装置的本底杂质水平,改善器壁的再循环。一些基于低温等离子体的清洗技术亦投入到实际应用中,并被证明具有良好的清洗效果。这些等离子体清洗技术包括直流辉光放电(GDC),以及电子回旋共振(ECR)和离子回旋共振(ICR)这类基于磁化射频技术的等离子体。与传统的ECR和ICR相比,螺旋波等离子体(HWP)具有更高的清洗效率和更广的运行范围。由于不能在EAST超导托卡马克装置上进行长时间螺旋波放电清洗实验研究,且对于EAST装置,等离子体实验参数很难控制,所以我们在实验室自行搭建了一个新型HWP放电装置。在科技部国家磁约束核聚变项目的支持下,在2012年5月到2014年03月期间,在苏州大学完成了HWP装置的搭建和调试,实现了预期的目标。在吴雪梅教授的指导下,金成刚博士及两名苏州大学的学生参与完成了这项工作。这项工作为研究等离子体放电特性以及等离子体与材料相互作用过程提供了实验平台。为了完善实验装置,调研了大量HWP实验资料,目标是要找到一种成熟灵活的研究方法优化实验设备和系统参数,通过理论和实验相结合,最终实现了稳定高效的HWP放电并验证HWP较高的壁清洗效率。首先完成了真空系统的搭建,利用13.56MHz射频功率系统,实现了ICP模式放电。为了获得HWP放电模式,设计,委托加工及自行组装了强磁场直流线圈以及线圈水冷系统,同时使用不同结构、不同材料的射频天线进行放电研究。为了获得最小的反射功率,重新设计了射频功率传输系统和匹配网路。利用自行研制的内置螺旋波天线,成功抑制了寄生CCP放电并于2013年9月成功获得稳定的HWP模式放电。利用朗缪尔探针和光发射光谱对ICP及HWP模式下的等离子体进行诊断研究,获得了一些初步数据结果。最后,利用此HWP系统对托卡马克石墨壁材料进行清洗实验研究。主要的工作成果是成功研制了一种新型HWP源,实现了稳定可控的HWP放电,为今后进一步的螺旋波放电诊断和壁清洗研究提供了实验平台。
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