托卡马克高Z壁材料超短脉冲激光诱导击穿光谱及激光烧蚀特性研究

摘要

在托卡马克装置运行中，面向等离子体第一壁(the first wall)受到来自芯部等离子体的稳态/瞬态热流与粒子流的轰击，不可避免地发生等离子体与壁相互作用(Plasma Wall Interaction，PWI)。一方面，PWI过程中会发生一系列物理与化学反应，导致燃料滞留、器壁侵蚀、杂质生成等诸多问题，从而直接影响器壁的寿命并引发安全问题。另一方面，PWI过程产生的杂质或尘埃等通过辐射能量降低等离子体加热效率同时也稀释燃料粒子数密度，使等离子体约束品质变坏，对等离子体的高参数长脉冲(稳态)运行产生负面影响。因此，理清PWI物理过程并施以有效控制是托卡马克核聚变获得成功的关键问题。激光诱导击穿光谱(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS)技术被公认为一种最有价值的可在托卡马克运行过程中开展的壁诊断手段。LIBS诊断第一壁表面元素分布对理解PWI过程，揭示PWI机理具有重要意义。
　　针对上述问题，本论文在实验先进超导托卡马克装置EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST)上，成功建立了远程、原位激光诱导击穿光谱(Remote In Situ Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，RISLIBS)第一壁诊断系统，在线研究了EAST上PWI过程中，第一壁燃料滞留，杂质沉积以及壁处理等关键问题。提出采用超短皮秒(ps)和飞秒(fs)脉冲激光诱导击穿光谱(ps-LIBS和fs-LIBS)可进一步大幅改善LIBS壁诊断的深度(表面法线方向)分辨能力并降低激光烧蚀对壁的损伤的研究思路。系统深入研究了ps和fs脉冲激光对高Z钼壁及钨壁的烧蚀特性，确定ps-LIBS诊断高Z壁材料的最佳能量密度范围，主要研究内容如下:
　　第二章依据激光诱导等离子体辐射光的偏振特性，提出并发展了偏振分辨激光诱导击穿光谱压制LIBS连续光谱辐射背景，提高信号背景比达8倍以上。针对LIBS壁诊断多元素同时分析的目标，在模拟EAST工作的高真空环境下，研究了EAST偏滤器石墨瓦以及高Z金属钨壁、钼壁的纳秒激光诱导击穿光谱(ns-LIBS)时空动力学演化特性，获得了针对不同壁元素的LIBS实验优化参数，为在EAST上LIBS诊断系统的优化提供依据。以这些研究为基础，在EAST的H窗口成功建立了国际首套远程、原位激光诱导击穿光谱第一壁诊断系统。该系统具有远程遥控操控能力、可工作在EAST主等离子体放电炮中及炮间，具有采集速度快、全谱采样等优点、已成为EAST装置的重要壁诊断手段。
　　第三章，针对未来聚变对壁诊断技术需满足近无损(小于ng/pulse)，高深度(表面法线方向)分辨率和高灵敏度的目标。发展了皮秒激光诱导击穿光谱(picosecond Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，ps-LIBS)方法。在模拟EAST高真空环境下，研究了皮秒激光烧蚀高Z壁材料的物理特性。发现皮秒激光烧蚀高Z壁材料随着激光能量密度增加，呈现三个典型烧蚀区。在第一烧蚀区(归属为光学烧蚀区)，随着激光能量密度增加，ps-LIBS元素特征光谱强度的增加比率大，该烧蚀区被推荐为ps-LIBS高Z壁诊断的优选参数区。此外，实验测定了高Z钨壁的ps-LIBS形成阈值能量密度为0.3±0.1J/cm2，在壁损伤(激光烧蚀质量)3ng/pulse，深度分辨率10nm/pulse条件下，获得了钨壁的LIBS信号。上述结果为未来发展ps-LIBS高深度分辨、近无损伤、在线诊断EAST的PWI过程提供重要数据支撑。
　　第四章，为进一步提升LIBS壁诊断的深度分辨本领，探索了飞秒激光对高Z壁材料的烧蚀特性。在高真空环境下，首次观察到6fs激光(中心波长790nm)烧蚀高Z钼壁呈现出五个典型烧蚀区。研究分析烧蚀率与激光能量密度关系，烧蚀坑形貌，激光能量穿透深度等特性，提出第一烧蚀区(光学烧蚀区)和第二烧蚀区(热电子烧蚀区)是fs-LIBS壁诊断的优选工作区;第三烧蚀区(类热烧蚀区)热效应明显，在烧蚀坑内部观察到明显的液体再凝固粒子;第四烧蚀区(类相爆炸烧蚀区)热效应更为显著，在烧蚀坑内部区域观察到微米量级的液体再凝固粒子;第五烧蚀区(宏观空爆炸烧蚀区)激光烧蚀率弱相关于入射激光能量密度，烧蚀坑直径2-3倍大于激光照射到靶材的光斑直径，激光烧蚀从一维Z方向深度烧蚀转变为三维XYZ方向宏观空爆炸烧蚀。第三到第五烧蚀区具有较强的壁损伤效应与热效应，不适合LIBS壁诊断应用。在高真空条件下，使用6fs脉冲激光，在完全避免激光烧蚀等离子体屏蔽效应的条件下，实验研究了多脉冲飞秒激光烧蚀钼材料表面反射率(吸收率)的变化特性。发现靶材表面反射率随着脉冲烧蚀次数而改变，进而影响激光烧蚀质量移除及LIBS定量分析，表明靶材反射率改变必须纳入LIBS定量分析校准方案中。
　　第五章针对本论文取得的主要成果进行总结，对后续研究工作开展进行了展望。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

专业词汇缩写表

1绪论

1．1核聚变研究的意义

1．1．1能源问题与核能的利用

1．1．2国际磁约束核聚变研究进展

1．1．3中国磁约束核聚变研究进展

1．2托卡马克等离子体与壁相互作用研究概述

1．2．1等离子体与壁相互作用

1．2．2等离子体与壁相互作用中的问题

1．2．3等离子体与壁相互作用的离线诊断方法

1．3原位激光诱导光谱诊断托卡马克第一壁研究背景

1．3．1原位激光诱导光谱诊断第一壁方法

1．3．2激光诱导击穿光谱的研究进展及现状

1．3．3激光诱导击穿光谱诊断第一壁研究进展

1．4超短脉冲激光诱导击穿光谱研究背景

1．4．1超短脉冲激光简介

1．4．2超短脉冲激光与金属相互作用

1．4．3超短脉冲激光诱导击穿光谱背景及优点

1．5本论文主要研究思路与内容

1．6本论文章节结构安排

2 EAST第一壁远程原位激光诱导击穿光谱诊断系统

2．1引言

2．2高真空下LIBS信号优化——偏振分辨激光诱导击穿光谱技术

2．2．1偏振分辨激光诱导击穿光谱技术简介

2．2．2实验设计

2．2．3偏振激光诱导击穿光谱的实验结果

2．3激光诱导击穿光谱时空动力学演化研究

2．3．1激光诱导击穿光谱时空动力学演化研究的意义

2．3．2实验装置与实验样品

2．3．3 LIBS光谱的时间演化特性

2．3．4 LIBS光谱的空间演化特性

2．3．5激光诱导等离子体不同物种的膨胀速度

2．3．6托卡马克环境下LIBS光谱信号的采集与优化

2．4 EAST第一壁远程原位激光诱导击穿光谱诊断系统的建立

2．4．1远程原位激光诱导击穿光谱系统实验室调试

2．4．2 EAST远程原位激光诱导击穿光谱系统整体布局

2．4．3 RISLIBS系统核心硬件

2．4．4 RISLIBS系统软件

2．4．5 RISLIBS系统稳定性测试

2．4．6 RISLIBS诊断EAST第一壁实验结果

2．5本章小结

3皮秒激光诱导击穿光谱诊断高Z壁材料

3．1引言

3．2激光与物质相互作用的理论描述

3．2．1纳秒激光与金属相互作用描述

3．2．2皮秒激光与金属材料相互作用描述

3．3皮秒激光烧蚀高Z壁材料钼物理特性研究

3．3．1实验设计

3．3．2皮秒激光烧蚀行为与烧蚀形貌表征方法

3．3．3皮秒激光烧蚀钼的物理特性

3．3．4第一烧蚀区：光学烧蚀区域

3．3．5第二烧蚀区：类热烧蚀区

3．3．6第三烧蚀区：类相爆炸烧蚀

3．3．7皮秒激光烧蚀高Z壁材料钼特性总结

3．4皮秒激光诱导击穿光谱诊断高Z壁材料钨

3．4．1实验设计

3．4．2光谱仪HR2000绝对辐射校正

3．4．3皮秒激光烧蚀高Z壁材料钨

3．4．4皮秒激光诱导击穿光谱三个烧蚀区域的发射特性

3．4．5皮秒激光高深度分辨近无损伤诊断高Z壁材料钨

3．4．6皮秒激光诱导击穿光谱信号优化方法

3．5本章小结

4飞秒激光烧蚀高Z壁材料钼物理特性实验研究

4．1引言

4．2飞秒激光烧蚀高Z壁材料钼

4．2．1实验设计

4．2．2飞秒激光五个不同烧蚀区域

4．2．3飞秒激光烧蚀钼五个烧蚀区域物理机理讨论

4．2．4不同激光能量密度下烧蚀坑边缘表面形貌特性

4．2．5飞秒激光与皮秒激光烧蚀高Z壁材料钼对比总结

4．3多脉冲飞秒激光烧蚀质量移除特性实验研究

4．3．1实验设计

4．3．2多脉冲飞秒激光烧蚀表面反射率测量

4．3．3飞秒激光烧蚀阈值与多脉冲激光累积效应系数

4．3．4多脉冲飞秒激光烧蚀质量移除特性

4．4表面反射率变化物理机制

4．4．1飞秒激光诱导表面微纳结构

4．4．2表面反射率与激光烧蚀深度变化关系

4．5本章小结

5结论与展望

5．1结论

5．2创新点摘要

5．3展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介