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等離子體和表面的相互作用

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1 等離子體和表面的相互作用 -等離子體和表面的相互作用

 

2 等離子體和表面的相互作用 -正文

  等離子體和固體表面接近或接觸時,等離子體和周圍氣相、表面相、固相之間交換能量、物質和信息的過程。
  等離子體和表面的相互作用,例如濺射,已發現了一個世紀以上,但只有這一領域和受控熱核聚變研究相結合,才得到迅速發展。在受控熱核聚變研究的早期階段,就已發現並研究了單極弧、氣體循環等現象。但當時等離子體參量比較低,這些研究並未引起足夠的重視。20世紀70年代,由於受控熱核聚變、特別是托卡馬克的進展,逐漸認識到雜質問題的重要性,對這一課題投入越來越多的工作,發展成為受控熱核聚變研究的一個分支。因此,作為一個研究領域,等離子體和表面的相互作用主要指受控熱核聚變裝置中的高溫等離子體和表面的相互作用。
  等離子體和表面相互作用是一個邊緣研究領域,它和等離子體物理、表面物理、等離子體化學、原子物理、分子物理等學科都存在密切的關係。
  由於等離子體可以劃分為低溫等離子體和高溫等離子體,等離子體和表面的相互作用也可劃分為兩個方面。
  低溫等離子體和表面的相互作用主要發生在等離子體切割、焊接、冶鍊和表面處理,磁流體發電機的器壁和電極,以及當運載火箭通過大氣層時在火箭外殼表面形成的等離子體和外殼之間,等等。這種等離子體的溫度約為103~104K,密度較高,壓強接近一大氣壓。
  高溫等離子體和表面的相互作用主要發生在受控熱核聚變的實驗裝置,以及未來的聚變反應堆的反應室的第一壁(即等離子體直接照射的固體壁)、偏濾器、孔闌以及磁鏡裝置的能量直接轉換器表面。在這些表面附近,也存在著溫度比較低的等離子體,即所謂邊界層。但在反應室的中心存在著幾百萬度以至於幾千萬度、幾億度以上的高溫等離子體,從中輻射出高能粒子和各個頻段的電磁波。在聚變堆中,還有像高能中子以及α粒子等這樣的熱核反應產物。這些粒子和輻射到達固體表面,產生各種形式的作用。
  在受控熱核聚變實驗裝置和聚變堆中,這種等離子體和表面的相互作用產生兩方面的影響。首先,這一相互作用使大量不能參加核反應的雜質離開表面,進入等離子體,造成污染。這不但降低了反應粒子的濃度,而且冷卻了等離子體,使反應速率降低,甚至停止。其次,這一相互作用對反應室的器壁造成損傷,縮短其使用壽命。因此,必須對這種相互作用過程進行研究和控制。
  基本過程  等離子體和表面的相互作用主要有以下一些基本過程。
  ①吸附和解吸。在等離子體裝置中,由於放電對錶面的活化作用,表面可能對氣體發生強烈的吸附。而在等離子體作用下,可能發生熱解吸、電子解吸和光解吸。
  ②蒸發。即固體表面接受來自等離子體的能量而熔化、蒸發。
  ③濺射。當離子或中性粒子入射到表面時,它的一部分能量傳給少數靶原子,其中有些在點陣達到熱平衡之前發射出去,這就是濺射。濺射是閾值性的,即當入射粒子的能量大於某一閾值(通常為5~50eV)時,才出現濺射。
  ④化學濺射。發生在等離子體裝置表面的化學過程。主要是由於表面催化作用引起的。當粒子入射到表面后,在表面進行化學反應生成揮發性產物而釋放。這個過程稱為化學濺射。
  ⑤背散射、再發射和植入。當離子或中性粒子入射到固體內后,它與固體內原子碰撞,逐漸失去原來的能量。最後可能產生兩種結果:或者還殘留一部分能量,從固體表面發射出去,這就是背散射;或者與固體原子達到熱平衡,逐漸擴散到表面,再發射出去,這就是再發射。這些粒子,特別是能量較高時,沿固體深度形成一個分佈,稱為植入。
  ⑥起泡。當有一定能量的氣體離子在固體內一定深度植入,並逐漸積累,若其劑量達到一定程度,就在表面附近形成氣泡,並逐漸增大,最後破裂。在有些情況下,表現為起片,形成洞或海綿狀表面結構。由於氦氣在固體內的擴散率很低,所以這些現象主要是氦離子(α粒子)造成的。
  ⑦等離子體鞘和單極弧。在等離子體和固體表面接觸處,由於等離子體中的電子有較離子高得多的熱速度,所以入射到壁的速率也高,這樣,表面就積累負電荷,因而排斥電子,吸引離子,直到二者入射速率一致。因此,等離子體存在著對壁呈正電位的等離子體鞘。如果壁上有一點發射電子,就會擊穿而形成弧。弧的形成降低了鞘的電位,電子又從其他部位回到壁上,壁同時作為正極和負極,故稱單極弧。
  此外,尚有次級電子發射,分子、原子在邊界層中的離解、電離、電荷交換等基本過程。
  以上這些基本過程可分為兩類。一類是導致輕雜質(氧、碳等)進入等離子體的機制;另一類是導致重(金屬)雜質進入等離子體的機制。至於工作氣體,也經歷了入射到壁、再釋回等離子體的過程,一般稱為氣體循環。
  研究方法  對於等離子體和表面相互作用的研究可分為兩個方面。理論工作主要致力於對一些過程的理解。如對濺射、起泡、單極弧、氣體循環、邊界層等現象建立相應的物理模型,並試圖在物理參量間給出定量關係。
  實驗工作又可分為兩類。一類是聚變堆中的某一過程的模擬,即以單能或多能的粒子或輻射入射到固體表面,測量這些基本過程在不同條件下的粒子產額(即釋出粒子數比入射粒子數)。
  另一類實驗工作是觀察和研究在受控熱核聚變研究裝置中的表面過程。在這些實驗中,經常用引入一些雜質或工作氣體的同位素,以及改變固體表面材料等研究方法。在診斷方面,除了常規的等離子體診斷方法和光譜、質譜、激光散射、靜電探針、高速照相以外,還專門發展了用可調頻的染料激光得到熒光光譜來測量邊界層的雜質原子密度。另一種被廣泛採用的診斷方法是用表面物理診斷技術作實地測量。這種方法系把模擬壁的樣品引入受控聚變實驗裝置內,待其接受了等離了體輻射的粒子后,送入與裝置相連的分析室內,再用解吸、核反應,以及俄歇譜儀、次級離子譜儀、軟X線出勢譜儀等表面分析儀器測量這些粒子的成分。
  控制方法  對受控熱核聚變裝置中等離子體和表面相互作用的研究目的是對這種作用進行控制,以減少其危害。已提出或已進行試驗的控制方法很多,主要有:①反應室壁和孔闌材料的選擇。②反應室壁處理。例如放電清洗,噴鍍活性金屬。③偏濾器。偏濾器用磁場來限制等離子體的位置。在附加線圈的電流磁場作用下,在某一磁分界面外的磁力線不閉合,而把等離子體引到一個偏濾室,帶電粒子在此被中性化和抽走。偏濾器可用來減小等離子體和壁的相互作用並避免了固體孔闌。④冷氣體包層。即在高溫等離子體和壁之間形成一層比較密的低溫等離子體作為屏蔽,來減少它們之間的相互作用。

 

3 等離子體和表面的相互作用 -配圖

 

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