陈 波， 王宏彬， 韦建军， 陈建军

(1. 四川大学原子核科学技术研究所， 成都 610064;2. 上海宏澎能源科技有限公司， 上海 201203;3. 四川大学原子与分子物理研究所， 成都 610064)

1 引 言

托卡马克装置中高通量等离子体与第一壁和偏滤器有着强烈的相互作用，其中偏滤器需同时承受高通量和高热负荷氢等离子体辐照[1-7]. 为研制出满足相关参数要求的面向等离子体材料以建设未来商用聚变堆装置，我们需模拟产生相应的高密度等离子体环境，并对候选材料进行考评筛选. 直线装置是实现这一等离子体环境模拟考评的有效手段. 目前，许多国家已相继搭建了不同的直线等离子体装置对这一问题进行研究[8-10]. 四川大学先进核能实验室基于直线等离子体装置(SCU-PSI)，自行研制了大功率三阴级等离子体源，可模拟聚变堆中等离子体服役环境，并可以满足第一壁材料和偏滤器材料在不同等离子体环境下的辐照实验研究.

钨具有高熔点、高热导率以及低溅射率等优点，是目前托卡马克装置中主流的面向等离子体的固体结构材料[11-13]. 然而研究发现，长时间高通量氢等离子体辐照，会造成钨材料脆化、鼓包、开裂等问题[12-15]，将严重降低钨作为固态第一壁及偏滤器部件材料的使用寿命[16-18]. 因此，在建设商用聚变堆前，对钨材料进行氢等离子体的辐照考核和综合评估是必不可少的. 本文依托四川大学SCU-PSI装置开展研究实验，产生参数范围宽、可调可控、稳态的高密度氢等离子体，并采用朗缪尔双探针对获得的氢等离子体特性进行诊断，研究氢等离子体特性随放电电流、气体流量等输入条件的演变规律. 此外，利用不同特性的氢等离子体对纯钨样品进行了初步的辐照研究，讨论了其表面形貌特征的变化规律. 本文相关研究结果为氢等离子体与面向等离子体材料相互作用提供参考，加快面向等离子体材料的辐照考评研究进程.

2 实验装置

本文采用的是本团队先前报道[19]的四川大学直线等离子体装置(SCU-PSI)，其结构示意图如图1所示. 该装置主要由三阴极等离子体源、磁场系统、进气系统、等离子体诊断系统和真空腔室等组成，其中等离子体源部件采用的具体结构如先前报道[19]所示. 产生的高通量氢等离子体，可以利用自制的朗缪尔双探针对其相关特性进行诊断，具体如先前报道[20]所示.

图1 直线等离子体装置示意图Fig.1 Schematic diagram of linear plasma device

图2 三阴极级联弧等离子体源示意图Fig.2 Schematic diagram of three-cathode cascade arc plasma source

3 实验方法

通过调节放电电流、气体流量和磁场强度等输入条件，采用朗缪尔双探针对氢等离子体特性进行诊断，获得了不同参数下氢等离子体特性随输入条件的演变规律，为辐照钨样品积累了基础数据. 辐照钨样品时保持放电电流、辐照时间和气体流量参数固定不变. 分别将3组样品固定至SCU-PSI装置中心轴线相同位置进行辐照. 辐照实验后，继续维持SCU-PSI装置真空状态，待样品自然冷却后取出，防止其表面氧化. 本文采用原子力显微镜(XE7，Park Systems)，对辐照前后钨样品表面中心5 μm ×5 μm的区域进行扫描，研究样品表面的形貌特征变化规律.

4 实验结果与讨论

4.1 氢等离子体电子密度、温度与放电电流及气体流量的关系

图3(a)和3(b)分别为氢等离子体电子密度、温度与放电电流及气体流量的关系图. 结果显示，在1 000 sccm流量和0.2 T稳恒磁场下，当输入电流为180 A时，所产生的稳态氢等离子体经由朗缪尔探针测试，其电子密度和电子温度分别为9.7×1018m-3和0.46 eV；随着进一步的提高放电电流，电子密度和电子温度均呈现近乎直线地上升，在此区间内展现明显的正相关特性，当放电电流达到210 A时，其电子密度和电子温度分别达到了1.84×1019m-3和0.64 eV，比180 A条件下的结果分别提升了0.9倍和0.4倍.

图3 不同气体流量条件下氢等离子体的电子密度、电子温度与放电电流的关系Fig.3 Relationships between electron density, electron temperature and discharge current of hydrogen plasma at different hydrogen flow rates

通过分析可知，等离子体电子密度、温度与放电电流的关系满足以下公式. 等离子体源所加电场近似为匀强电场，电场强度为：

(1)

式中，U实测电压，L等离子体源放电通道长度. 平均电流密度j：

(2)

平均电阻率η：

(3)

式中，I等离子体源放电电流，r等离子体源放电通道半径. 因此，σ平均电导率：

(4)

由公式(4)所示，提升电流可以线性提升等离子体的电导率，并且随着放电电流的增加，可以注入更多的能量进入等离子体，增大等离子体束流中的平均加速电场，此时增加的电导率可以进一步增强放电电源与等离子体之间能量转换效率[21-24]. 因此，随着放电电流的增大，等离子体温度和等离子体密度都产生了类线性的增加. 如图3所示，相关特性与本实验结果较为相符.

然而放电等离子体的特性还受很多其他因素影响，其中通气流量就是很重要的一个变量. 如图3(a)和3(b)所示，随着气流量从1 000～2 000 sccm的逐步提升，相应的等离子体温度和等离子体密度都明显降低. 由于通气量增加，空间中性粒子浓度线性增加引起粒子之间碰撞增加，导致电子温度均呈现线性递减. 而对于电子密度而言，由于气流量增大会导致体系电阻明显增大，等离子体源与束流的能量转换效率降低，导致电子密度也发生相应的降低. 当输入电流为230 A时，随着输入气体流量增大，电子密度的退化效应反而更显著，如图3(a)所示. 这可能是由于氢分子及原子的半径尺度较小，粒子密度增加后导致的碰撞离化效率降低引起的.

4.2 氢等离子体电子密度、温度与气体流量及磁场强度的关系

图4(a)和4(b)分别为氢等离子体电子密度、温度与气体流量以及磁场的变化关系. 结果显示，在输入电流为228 A，磁场为0.2 T参数下，当输入气流量为1 200 sccm时，等离子体密度达到2.05×1019m-3，电子温度达到0.71 eV. 随着气流量提升，电子温度产生线性衰减. 如图4(b)所示，在2 200 sccm流量下，电子温度降低到了0.4 eV，衰减了44%. 而电子密度则随气体流量的增大呈现先急剧降低再缓慢降低的趋势. 在2 200 sccm流量下电子密度降低为4.2×1018m-3，衰减了79%. 而当降低腔室中的轴向磁场时，等离子体的电子温度和电子密度均发生显著降低. 其中电子密度在1 200 sccm流量时下降最为明显，0.1 T下电子密度只有2.3×1018m-3. 这主要是因为气体流量增加，电阻率增大(电导率减小)，导致能量转换率降低. 而输入的电流不变，等离子体源钨针尖端产生的电子数减少，与氢气发生碰撞电离的几率减小，从而使等离子体电子密度、温度减小[25-27].气体流量、放电电流恒定时，氢等离子体电子密度、温度随磁场强度增加而增大.

因等离子体中带电粒子与基团在磁场中受洛伦兹力作用，并做拉莫尔运动，拉莫尔半径为：

(5)

式中，m带电粒子质量，q带电粒子电荷量，B磁场强度. 磁场强度增加，拉莫尔半径减小. 带电粒子受磁场约束作用，向磁场中心轴线靠拢，单位面积通过的等离子体通量增大，等离子体电子密度随着磁场强度的增加而增大. 然而，随着拉莫尔半径减小，带电粒子被约束在更小的空间内，此时系统总能量未发生变化，被约束粒子碰撞截面减小，等离子体中的高能粒子与背景粒子和中性粒子间的碰撞几率降低，等离子体的能量得以保留.因此，在此范围内，等离子体的电子温度随着磁场强度的增加而增大[21]. 然而如图4，在2 200 sccm流量下，不同的磁场导致的磁场差异不明显，这是因为在系统总能量不变的情况下，随着磁场的提升，等离子体温度发生了一定的提升，进而导致等离子体密度增长趋势放缓.

图4 不同磁场强度下氢等离子体的电子密度、电子温度与气体流量的关系Fig.4 The relationships between electron density, electron temperature and gas flow rate of hydrogen plasma under different magnetic field intensity

4.3 氢等离子体通量、热负荷与气体流量及磁场强度的关系

在托卡马克装置中，等离子体的群体效应即等离子体通量和热负荷对壁材料以及偏滤器材料的性能影响起到重要作用. 因此有必要对产生的氢等离子体的等离子体通量和热负荷进行分析. 等离子体通量与电子密度、温度，以及气体的相对分子质量密切相关，且满足公式：

(6)

式中，Γi等离子体通量，cs等离子体声速，ne等离子体电子密度，Te等离子体电子温度，Ai气体质量数. 等离子体热负荷满足公式：

q=ikTeζ

(7)

式中，k为玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K)，ζ为鞘层热传递系数(一般在6～7之间，本文取6.5)，i为等离子体通量，Te为电子温度[20].

图5(a)和5(b)分别为计算后的氢等离子体通量、热负荷与气体流量以及磁场的关系图. 由式(6)和式(7)可知，等离子体通量和热负荷与等离子体的电子温度和电子密度具有重要关系. 从图3和图4可以发现，在实验范围内电子温度与气流量基本呈现线性变化趋势，而电子密度则随气流量增大呈现先急剧降低再缓慢降低的类指数性衰减趋势. 因此，对于等离子体通量以及等离子体热负荷随气体流量的变化趋势与图4(a)的趋势基本一致. 当磁场强度和放电电流恒定时，氢等离子体通量和热负荷随气体流量增加而减小；当气体流量和放电电流恒定时，氢等离子体通量和热负荷随磁场强度增加而增大. 在本实验参数范围内，在1 200 sccm气流量、228 A放电电流和0.2 T的稳恒磁场环境下，我们获得了最大的等离子体通量和热负荷，分别为8.8×1022m-2·s-1和6.5×104W/m2. 上述结果表明本装置可以稳定调控产生理想的氢等离子体参数，后续将会在本装置上进行氢等离子体环境下的托克马克壁材料的辐照实验.

图5 不同磁场强度下氢等离子体通量、热负荷与气体流量的关系Fig.5 Relationships between ion flux, heat load and hydrogen flow rate of hydrogen plasma under different magnetic field intensities

4.4 氢等离子体辐照对钨样品表面形貌的影响

为了对托克马克装置壁以及偏滤器材料进行辐照考核，本文利用SCU-PSI产生的氢等离子体环境对纯钨进行了辐照研究. 通过进一步优化等离子体参数，调节气体流量和放电电流，在不同磁场(0，0.1，0.15和0.3 T)调节下，利用获得的等离子体通量(0、0.82×1023、1.82×1023和3.3 ×1023m-2·s-1)对打磨后的纯钨样品(10 mm×10 mm ×2 mm)进行30 min的长时间稳态辐照，辐照后对样品进行表面的AFM测试，结果如图6所示.

图6 不同磁场强度下氢等离子体辐照钨样品的表面形貌特征：(a) 0 T, (b) 0.1 T, (c) 0.15 T, (d) 0.2 TFig.6 Surface morphology of hydrogen plasma irradiated tungsten samples under different magnetic field intensities: (a) 0 T, (b) 0.1 T, (c) 0.15 T, (d) 0.2 T

对于辐照参数为0 T，如图6(a)所示，表面仅有打磨时残留的划痕，整体较为平整和光滑，表面粗糙度仅为3.6 nm. 引入氢等离子体辐照后，表面划痕几近消失，出现了非常细小的微粒，并且相邻区域产生了较大的起伏，表面粗糙度上升到了7.5 nm. 随着磁场强度不断增加，等离子体通量逐渐增大，微小颗粒逐渐长大并趋于晶粒化，表面粗糙度也分别增长到10.2和15.6 nm. 如图6(d)所示，表面产生了明显的百纳米级的不规则颗粒物. 这是显著的氢等离子体辐照致使的损伤，这些颗粒的产生可能是氢在钨中形成的团簇造成的. 钨中滞留的氢会优先被空穴、缺陷或晶界等缺陷捕获，聚集的氢元素逐渐形成尺寸和密度不均的团簇[28-30]，而这些分布不均匀的团簇通过挤压造成钨表面形成如图6的损伤形貌.

通过上述辐照实验可以发现，四川大学先进核能实验室基于直线等离子体装置(SCU-PSI)产生的氢等离子体环境参数高，并且对壁材料钨可以产生明显的辐照损伤，具备模拟托卡马克装置中等离子体与第一壁材料和偏滤器材料相互作用的功能.

5 结 论

本文通过四川大学先进核能实验室基于直线等离子体装置(SCU-PSI)，研究了中氢等离子体特性随输入条件(放电电流、气体流量、磁场强度)的演变规律，可以对氢等离子体环境进行理想化的调控. 此外，我们利用不同特性的氢等离子体辐照钨样品，结合原子力显微镜对辐照前后样品表面形貌进行了特征分析.结果表明, 随着氢等离子体通量的增加，钨的辐照损伤逐渐增强. 本文结果表明，本装置可以实现托卡马克壁材料氢等离子体辐照环境的有效模拟，加速聚变领域的材料发展.