HT-7超導(dǎo)托卡馬克第一壁He輝光硼化
在受控核聚變實驗中，等離子體雜質(zhì)通常由于等離子體與第一壁的相互作用而產(chǎn)生，而雜質(zhì)輻射等離子體能量對聚變實驗是十分有害的。由于雜質(zhì)輻射的能量隨著等離子體有效電荷數(shù)的增大而急劇增大，所以必須盡可能地降低金屬雜質(zhì)的含量。為了達(dá)到這個目的，通常在托卡馬克第一壁沉積一層低電荷數(shù)的碳膜，此碳膜阻止了等離子直接與金屬第一壁的作用，減少了金屬雜質(zhì)產(chǎn)生的機(jī)會。這種壁處理方式稱為碳化。碳化大大降低了等離子體中金屬雜質(zhì)的含量，使等離子體性能有較大的改善。在碳化裝置中，z*主要的雜質(zhì)是氧和碳，其主要危害是稀釋等離子體濃度，限制等離子體向高參數(shù)進(jìn)一步發(fā)展。實驗表明，在碳化裝置中，未被碳化到的表面釋放的水蒸氣是氧雜質(zhì)的主要來源。水蒸氣從托卡馬克第一壁表面解吸，進(jìn)入等離子體中，被裂解、電離，氧離子在鞘電位作用下又回到第一壁的碳膜中，隨后以CO形式釋放到等離子體中。CO進(jìn)入等離子體后又被電離成碳和氧，這樣氧就在真空室中循環(huán)。從上述分析來看，若能阻止氧的再循環(huán)，則碳、氧雜質(zhì)都將減少。實驗證明：硼（電荷數(shù)是5）元素與氧有較強(qiáng)的親和力，兩者易于結(jié)合形成三氧化二硼固體。這樣如果碳膜中有硼元素，那么實驗時產(chǎn)生的氧雜質(zhì)將被硼元素捕獲，而中斷氧的再循環(huán)。此時，氧、碳雜質(zhì)的含量勢必會減少。這種技術(shù)稱硼化，即在托卡馬克第一壁沉積一層由硼、碳元素組成的膜。
1989年TEXTORs*先應(yīng)用硼化技術(shù)。它以已硼烷(B2H6)和甲烷(CH4)為原料，用射頻輔助的氦氣直流輝光放電進(jìn)行硼化，獲得了約50nm厚的B/C膜。硼化后等離子體有效電荷數(shù)(核聚變實驗所用工作氣體是氫，其電荷數(shù)是l，若工作氣體含有雜質(zhì)，則其有效電荷數(shù)于1)接近1，等離子體雜質(zhì)輻射能量大大降低，等離子體品質(zhì)有了全面的改善。隨后許多其它裝置都進(jìn)行了硼化實驗，如JT- 60U和T-3M等，取得了理想的效果并且完善了硼化技術(shù)。
實驗還發(fā)現(xiàn)采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法形成的膜是一層多孔膜，它能吸人大量的氫氣，稱之為膜的駐氫性。當(dāng)鮮膜暴露在氫氣中，在z*初的20s內(nèi)膜強(qiáng)烈吸氣，接著是漫長而緩慢的吸氣過程，直到3h未見飽和。當(dāng)托卡馬克第一壁是不銹鋼材料時，等離子體放電一段時間后，不銹鋼壁上吸附的氫氣會在放電期間返回真空室，使得等離子體密度不可控。對B/C膜來說，由于它的駐氫性，放電期間第一壁上的氫不易返回等離子體中，從而使等離子體密度可控，等離子體穩(wěn)態(tài)運行區(qū)域擴(kuò)展。另外B/C膜是一種耐腐蝕性好的膜，特別是硼碳之比為3的膜，其腐蝕產(chǎn)額只有碳膜1%。
HT-7第一壁材料是不銹鋼，硼化前聚變等離子體有效電荷數(shù)約為5，說明等離子體雜質(zhì)含量高，從而雜質(zhì)輻射的能量損失較大，限制了等離子體向高參數(shù)發(fā)展。HT-7用安全無毒白色粉末狀碳甲硼烷(C2BIOH12)，進(jìn)行了數(shù)次硼化實驗，取得了很好的效果。硼化已成為HT-7常用的、重要的壁處理方式。
HT-7用射頻輔助的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積。技術(shù)對其第一壁進(jìn)行硼化處理，獲得非晶態(tài)的硼、碳膜(a - B/C: H)，硼碳元素有膜的深度方向分布均勻，硼碳比約為3。這層膜沉積在第一壁而有效地保護(hù)著第一壁，減少了等離子體與第一壁直接作用，從而降低了等離子體中金屬雜質(zhì)的含量。膜的吸氧性使等離子體中氧雜質(zhì)的再循環(huán)降低，減少了等離子體中氧雜質(zhì)以及由氧引起的其它雜質(zhì)的含量。雜質(zhì)含量的降低使HT-7等離子體參數(shù)明顯提高：有效電荷數(shù)降低到2以下，環(huán)電壓低于1.5V，雜質(zhì)輻射功率明顯降低。由于多孔膜的良好的駐氫性使第一壁氫的再循環(huán)得以改善，等離子體密度可控，擴(kuò)大了等離子體穩(wěn)態(tài)運行區(qū)域。另外硼化使HT -7能夠快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)。從硼化效果可以看出，硼化為HT-7提供了良好的第一壁條件。
