射频辅助的直流辉光放电清洗在HL-2A装置上的应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)核工业西南物理研究院 作者:蔡潇

  本文介绍了一套射频电极系统在HL-2A 装置上的相关辉光放电清洗实验研究。本系统主要由具有水冷功能的螺旋结构射频电极和碟形波纹管伸缩传送装置组成。在高频交变电场作用下电子与气体分子发生碰撞的几率增加,射频电极对清除真空室器壁表面的低质量数杂质效率更高。电极通过循环水冷却,使其长时间使用不会产生明显变形,提高了该系统运行的安全性。系统工作时,通过步进电机无极调速来驱动丝杠带动与射频电极相连接传送杆压缩碟形波纹管前后运动快速调整电极位置。实验结果表明,射频天线形式的电极可作为直流辉光的阳极工作,射频辅助启辉降低了直流辉光的启辉气压和电压,提高了装置与抽气机组运行的安全性。射频辅助比纯直流辉光具有更高的清洗效率,为进一步开展与射频相关的壁处理研究提供了条件。

  在现代热核聚变实验装置运行过程中,要达到高约束状态和较好的等离子体放电品质,降低工作气体粒子的再循环、严格地控制真空室内部的杂质种类和含量是非常重要的。目前国际上正在运行的托卡马克通常选用泰勒放电清洗( TDC) 、直流辉光放电清洗( GDC) 、电子或离子回旋共振放电清洗( EC-DC、IC-DC) 进行其真空室器壁表面的锻炼和原位处理,其中,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为GDC、EC-DC 和IC-DC 技术也是国际热核实验堆( ITER) 工程设计方案的首选。TEXTOR 装置的实验结果表明,在射频辅助下的直流辉光放电( RG) ,由于高频交变电场的作用增加了电子与气体分子碰撞的几率,放电运行更加稳定,对清除器壁表面的低Z 杂质效率更高。HL-2A 装置目前选用固定电极的直流辉光放电清洗进行真空室器壁锻炼,为了进一步提高清洗效率,开展了在射频辅助下的直流辉光放电清洗实验研究。

射频电极系统

  根据HL-2A 真空室的特点,射频电极系统设计为可伸缩式结构,与其真空室的水平窗口相连接。射频电极采用壁厚为2 mm 的Φ10 的304不锈刚管绕制,共5 个螺旋圈,中心可通过循环水进行冷却。由于与射频伸缩传送系统相连接的HL-2A真空室窗口管道直径为Φ100 mm,在进行辉光放电时电极受热将产生一定的变形,为保证射频电极在真空室内移动顺利,螺旋圈的最大外径设计为Φ70mm。电极通过活接头与传送杆连接,可方便更换。采用步进电机无极调速来驱动丝杠带动与射频电极相连接传送杆前后运动,最大行程为1200 mm 。进行放电清洗实验时用伸缩传送杆将射频电极推到真空室中心区域,等离子放电时退缩至真空室窗口管道外的闸阀后面。电极系统的真空漏气率小于1. 5× 10 -9 Pa·m3·s -1,所配置的射频电源最大输出功率为5 kW,频率为13. 56 MHz。图1 为HL-2A 装置的射频( 流) 辉光和固定电极直流辉光( GDC) 系统结构。

HL-2A 装置的放电清洗系统

图1 HL-2A 装置的放电清洗系统

结论

  在HL-2A 装置上研发了一套射频辉光系统,利用射频电极施加直流功率进行辉光放电清洗,利用其可移动性,通过改变极间距离,获得了相对低的启辉电压。给出了HL-2A 装置的帕邢曲线。利用射频进行预电离辅助直流启辉,使辉光放电清洗启辉的电压和气压值得到了明显改善,击穿气压下降了一个数量级到10 -1 Pa 范围内,启辉电压最低为765V,提高了装置与抽气机组运行的安全性。通过在1050 W 直流功率下叠加同等射频和直流功率时残余气体产额数据比较,得到了射频辅助下的H2、CO2产额增量为直流辉光下产额增量的1 ~ 3 倍,证明了射频比直流辉光具有更高的清洗效率,但由于射频负载匹配调节问题,有效输出功率不高,所以它常常要与直流辉光并用。实验为进一步开展与射频相关的壁处理工作提供了条件。

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