基于激光技术的EAST原位激光诱导击穿/烧蚀光谱壁诊断系统搭建及结果
作者单位：中国科学院等离子体物理研究所 大连理工大学物理与光电工程学院
会议名称：《第二届中国氚科学与技术学术交流会》
会议日期：2017年
学科分类：08[工学] 082701[工学-核能科学与工程] 0827[工学-核科学与技术]
基 金：国家磁约束核聚变科学计划(2015GB109001) 国家自然科学基金(11205198,11575243,11605238)
关 键 词：等离子体与材料相互作用 激光诊断技术 激光诱导击穿光谱 激光诱导烧蚀光谱 氚滞留
摘 要：长脉冲高功率下稳态、瞬态高热负荷和强粒子流轰击以及高能中子辐照将会损伤面向等离子体部件并缩短其使用寿命。除此以外,大量放射性氚燃料在装置中的滞留将影响装置安全,因此ITER将装置中氚滞留总含量限制在700g。针对这些问题,虽然实验室做了大量的事后分析研究工作,但是目前还缺少有效的原位诊断方法对面向等离子体部件的状态进行实时监测,因此发展远程原位技术诊断装置壁表面状况对保障聚变装置运行安全具有重要意义。基于激光技术的激光诱导击穿光谱（laser induced breakdown spectroscopy,LIBS）和激光击穿烧蚀光谱（laser induced breakdown spectroscopy,LIAS）可以原位、实时监测燃料在第一壁中的滞留情况。本文将报导EAST装置上针对杂质沉积和燃料滞留的原位诊断LIBS和LIAS系统的搭建,以及将其用于第一壁材料表面氘燃料静态和动态滞留测量的研究结果。在EAST实验运行期间,远程原位LIBS系统监测了放电间隙以及壁处理前后氘燃料滞留和杂质沉积分布情况。通过LIBS系统的监测,发现经过200 min的锂化壁处理,在EAST装置真空室内表面形成了约2μm的锂沉积层,这和壁处理用锂量估算出的厚度是一致的。经过40炮共计205 s的等离子体放电,约有1μm的锂沉积层被刻蚀掉,而且还发现在放电过程中,在激光清洗干净的壁表面上有显著的锂再沉积现象。除此以外,还利用原位LIBS系统测量不同条件下（锂化,硼化,漏水以及60 s长脉冲H模放电后）第一壁材料表面氢氘比和氘滞留情况,结果表明经过长脉冲H模放电后,第一壁表面的氘滞留趋于饱和,装置漏水后,壁材料表面吸附了大量的氢。这些实验结果证明LIBS技术可以有效的监测和预测壁状况并为壁处理提供指导。LIAS技术主要是在放电过程中使用高功率的脉冲激光作用在物质表面,通过光谱仪和高速相机测量由激光作用溅射出的粒子进入边界等离子体中的变化情况,从而获得壁材料表面氘滞留的定量测量。本文重新设计了基于FPGA的时序系统并改进了实验光路,通过测量氘巴尔未线的变化,研究了放电过程中不同时间尺度和加热功率下壁材料表面的动态滞留情况。实验结果表明:LIAS测量到去除基线的巴尔未线强度和给定的加热功率成线性关系,同时也说明了LIAS技术用于EAST运行过程中壁材料表面的燃料滞留动态测量的能力。