偏滤器主要功能.

1HouyangGuo1SomeThoughtsonNextEASTDivertorExperimentsSomeThoughtsonNextEASTDivertorExperiments郭后扬中科院等离子体物理所和美国华盛顿大学2008年1月17日2HouyangGuo2SomeThoughtsonNextEASTDivertorExperiments偏滤器主要功能有效地屏蔽来自器壁的杂质，减少对中心等离子体的污染。排出来自中心等离子体的粒子流和热流。以及核聚变反应过程中所产生的氦灰。偏滤器偏滤器是构成高温等离子体与材料直接接触的过渡区域：一面是温度高达天文数字(几亿度)的等离子体,另一方面是通常的固体材料。偏滤器是现代磁约束核聚变装置中至关重要的组成部分3HouyangGuo3SomeThoughtsonNextEASTDivertorExperiments大部分来自于中心等离子体的热流粒子流通过边界层，Scrape-OffLayer(SOL)，进入偏滤器。等离子体轰击导至偏滤器表面的损伤，热负载，甚至破坏直接面对等离子体的部件。来自材料表面的中性粒子(原子,分子)以及杂质反过来影响边界以及中心等离子体的性能。此外，由等离子体与表面相互作用而产生的杂质会与D，T共同沉积(Redeposition)于等离子体辐照较弱的区域，导致核聚变反应堆中氚的滞留(TritiumRetention)问题。偏滤器研究涉及到等离子体物理,原子物理以及表面物理等交叉领域SOLDivertor4HouyangGuo4SomeThoughtsonNextEASTDivertorExperimentsEAST是目前唯一能够进行高功率长脉冲运行,与ITER直接相关的核聚变研究装置ITEREASTDivertorStudiesonEASTAreHighlyRelevanttoITER.5HouyangGuo5SomeThoughtsonNextEASTDivertorExperiments偏滤器边界层的基本行为(BasicBehaviorofDivertorEdgePlasma)杂质产生及偏滤器屏蔽机理(ImpurityProduction&DivertorScreening)对下一轮EAST偏滤器实验的一些建议(PotentialDivertorStudiesforNextEASTCampaign)内容ContentofLecture6HouyangGuo6SomeThoughtsonNextEASTDivertorExperiments偏滤器边界层的基本运行模式偏滤器等离子体的不同运行模式可以通过升高等离子体密度而自然实现。又称低再循环SOL.低密度,nt与n呈线性增加,Tt相当大,10eV。鞘层限制的SOL又称高再循环SOL.nt与急剧增加,n2。热导限制的SOLnt达到饱和，并开始下降。偏滤器脱靶Shimomura,NF23,869(1983)7HouyangGuo7SomeThoughtsonNextEASTDivertorExperiments不同SOL等离子体的比较T及压强沿磁场力线保持不变。类似限制器SOL。鞘层限制的SOL压强沿磁场力线仍保持守恒，但偏滤器温度呈现显著下降减少杂质的产生,并增强偏滤器屏蔽作用。密度极巨升高提高粒子流量,有利于排出杂质及聚变堆中的氦灰。但不能减低靶板热流。热导限制的SOLLaBombard，PoP2,2242(1995)8HouyangGuo8SomeThoughtsonNextEASTDivertorExperimentsLaBombard，PoP2,2242(1995)当电子温度降至~1eV,等离子体进入脱靶,压强沿磁力线呈现相当大的损失。体积再结合(volumerecombination),以及离子-中性原子碰撞对等离子体流所施加的摩擦力致使靶板密度及粒子流降低，从而把等离子体‘托’离靶板。可以有效地降低靶板表面的热流,减少靶板材料的损伤,溶化等,为核聚变反应堆提供一个引人注目的运行方式。偏滤器脱靶状态不同SOL等离子体的比较9HouyangGuo9SomeThoughtsonNextEASTDivertorExperiments偏滤器边界层的基本行为(BasicBehaviorofDivertorEdgePlasma)杂质产生及偏滤器屏蔽机理(ImpurityProduction&DivertorScreening)对下一轮EAST偏滤器实验的一些建议(PotentialDivertorStudiesforNextEASTCampaign)内容ContentofLecture10HouyangGuo10SomeThoughtsonNextEASTDivertorExperimentsPhysicalSputtering物理溅射Federici,NF41,1967(2001)溅射是通过离子或中性粒子的冲击使原子离开表面。当入射离子或中性粒子传输给表面原子的能量超过表面的结合能(bindingenergy),原子就会逃逸表面势场的约束，产生物理溅射。物理溅射与入射粒子的质量和能量，以及材料的性能密切相关。对于质量小的粒子如氘和氦，因为每次碰撞传输给表面原子的能量小，溅射产额较低。物理溅射阈值：221214,1mmmmEEBth表面结合能入射粒子质量靶板质量质量大的材料阈值高,HW,Eth=418eV!溅射的原子能量主要分布于~½EB(2-5eV).11HouyangGuo11SomeThoughtsonNextEASTDivertorExperiments化学溅射化学溅射来自于入射离子或中性粒子与表面原子的化学反应，导致表面的损伤。石墨由于具有良好耐火性能，而广泛应用于核聚变装置中。因此，最常见的化学反应是：4D+CCD4。也会产生少量其它的碳氢化合物如C2H4,C3H6。化学溅射不仅与入射粒子的能量有关，还与入射粒子的流量和材料表面的温度存在至今尚未确知的关系。碳氢化合物与表面结合能低，易于通过热解析从表面释放出来。不存在明显的溅射阈值。因此，化学溅射通常在较低温度的等离子体中起主导作用。但是，化学溅射所产生的杂质能量较物理溅射的低,~0.5eV,偏滤器对其屏蔽较强。Roth，NF44,L21–L25(2004)12HouyangGuo12SomeThoughtsonNextEASTDivertorExperimentsPrincipleofDivertorScreening偏滤器屏蔽原理偏滤器对杂质的屏蔽主要依赖于偏滤器内自然产生的流向偏滤器靶板的强大离子流。杂质由于受到该“背景”离子流所施加的摩擦力而被拖向偏滤器靶板，并用以克服相反方向主要来自于离子温度梯度的拉力。后者倾向于驱使杂质沿着温度梯度进入主要约束等离子体区域。iezizzTZTkZeEmF//2//////6.271.0vv(mzmi)背景等离子体所施加的摩擦力FF平行电场所施加的静电力FE,|FE||FF|大部分电场在表面附近(Debye)被鞘层屏蔽电子温度梯度力FeG离子温度梯度力FiG,|FiG||FeG|离子热导率较差,//Ti//TeFiGZ2,边界层中Z可达34.杂质沿磁力线主要受力：FFFEFeGln105.122113//ZnmkTkTmiiizzFiG13HouyangGuo13SomeThoughtsonNextEASTDivertorExperiments讨论：偏滤器对杂质的屏蔽作用物理溅射化学溅射化学溅射产生的杂质能量较低,0.5eV。平均自由程较短，很快在表面附近电离。由于表面附近流速大，对杂质施加的摩擦拉力大偏滤器屏蔽较强。随着温度的增加，碰撞频率降低，摩擦力降低，同时，离子温度梯度拉力增加削弱偏滤器屏蔽效果。这就是要实现低温度偏滤器运行的一个重要因素。再者，降低温度减少杂质的产生，进一步减少对等离子体的污染。不同等离子体状态器壁靶板杂质器壁的杂质主要来源于通过电荷互换而产生的高能中性粒子的物理及化学溅射，等离子体和璧的直接接触，逃逸偏滤器的中性粒子对器壁的化学溅射，以及从偏滤器渗漏的杂质在器壁上的直接反射。器壁的杂质由于离约束等离子体较近，并且远离偏滤器，易于造成对中心等离子体的污染。14HouyangGuo14SomeThoughtsonNextEASTDivertorExperiments偏滤器边界层的基本行为(BasicBehaviorofDivertorEdgePlasma)杂质产生及偏滤器屏蔽机理(ImpurityProduction&DivertorScreening)对下一轮EAST偏滤器实验的一些建议(PotentialDivertorStudiesforNextEASTCampaign)内容15HouyangGuo15SomeThoughtsonNextEASTDivertorExperimentsTargetHeatLoadingInner/OuterDivertorAsymmetryDetachment&DensityLimitDivertorScreeningforCarbonImpurityComparisonofSingleNull&DoubleNullOperation偏滤器实验课题16HouyangGuo16SomeThoughtsonNextEASTDivertorExperimentsGasPuffLocationsMidplaneDivertors:inner,outer,privateregionMagneticConfigurationsSinglenullvs.doublenullBdirectionsStrikepointsweepingX-pointheight主动控制实验的手段17HouyangGuo17SomeThoughtsonNextEASTDivertorExperiments主要诊断方法ne,Te,Jsat(ori),Vfandqtprofilesalongdivertortargets.DivertorEmbeddedLangmuirProbesTarget(surface)temperatureqtThermocouplesIRcameraifavailableH1:LowerinnerdivertorDprofileH2:UpperinnerdivertorDprofileH3&CII:LowerouterdivertorD,CIIprofilesDivertorSpectroscopyne,Te,Jsat(ori),Vf(orEr)radialprofilesatmidplane.PlasmaflowinthemainSOLatmidplaneMidplaneLangmuir&MachProbesDivertorradiationDivertorTomographyifavailable18HouyangGuo18SomeThoughtsonNextEASTDivertorExperimentsTargetHeatLoadingObjectiveEssentialforfuturehighpower,steady-stateoperationonEAST.Providingphysicsbasisforthedesignandoperationofnext-stepfusionmachinessuchasITER.JustificationsAssessheatexhaustingcapabilityofEASTdivertortargetplatesEmbeddedTargetLangmuirProbes.Thermocouples.IRcamera,ifavailable.Ess