浙大直线等离子体装置-浙江大学聚变理论与模拟中心

浙大直线等离子体装置
罗广南（中科院等离子体所）
（一）建设背景
（1）学科建设发展需要
随着聚变理论和模拟中心的成立以及等离子体物理等课程的开设，相关的等离子体物理教学实践活动和科学研究工作急需建设起一个实验平台，以满足本科生教学实践、研究生实验研究和教师课题研究等的强烈需求。

浙大相关实验室经过调研，初步确定了建设直线等离子体装置（Linear Plasma Device，LPD）的思路，并与具备该类装置建造能力和具有该类装置使用经验的中科院等离子体所相关科室进行了协商，由等离子体所方面负责为浙大建设此装置。

装置建成移交后继续展开合作研究工作，尤其是聚变堆第一壁材料的辐照效应等方面的工作。

（2）直线等离子体装置
直线等离子体装置（LPD）就是一台能够产生和维持一直线段稳态等离子体的装置。

利用该装置可以研究等离子体的基本性质，即利用各种控制和诊断手段研究等离子体的各种输运过程、不稳定性和边界物理等；亦可研究等离子体与材料的相互作用的基础问题，如材料的物理溅射和化学刻蚀、材料中氢和氦滞留/起泡问题、等离子体破裂对材料的影响模拟等。

研究领域可覆盖高密度的托卡马克边界等离子体和材料相关研究，以及低密度的空间等离子体研究。

世界上该类装置主要有主要从事材料和边界研究的PISCES-A/B(UCSD)、PSI-Ⅰ/Ⅱ(Max-Planck-Institute of Plasma Physics, Berlin, Germany)和MAP-Ⅱ (University of Tokyo)等，从事等离子体基础研究的HELIX and LIEA(WVU, USA)、VINETA(Ernst-Moritz-Arndt University, Greifswald, Germany)等，以及两者兼顾的DiPS(Hanyang University, Seoul, Korea)和MP2(NFRC, Daejeon, Korea)。

另外，EU正在建一台大型材料研究装置Magnum-PSI(FOM, Amsterdam)。

国内仅有一台于2000年由等离子体所加工建成的LPD，属于科大近物系，总长约3米，其中直线段内径为25.5cm，长度为2米，两端为等离子体源区。

目前开展的工作为等离子体湍流以及磁重联研究等，由于等离子体密度不够高，尚未开展聚变相关的材料和边界方面的研究工作。

（二）LPD构成
以等离子体所之前为科大设计加工的国内唯一装置（如图1所示）为例说明如下。

LPD主要由等离子体源（Plasma Generator，用于产生等离子体）、磁约束系统（Magnetic Confinement，用于约束和维持直线等离子体）、真空系统（Vacuum Pumps，用于产生所需真空）、等离子体诊断系统（Diagnostics，用于测量所产生的等离子体参数）、以及电源和其他辅助系统等部分组成。

图中包含了两个等离子体源，左边为热钨丝源，其直流放电等离子体在实验区中心等离子体密度约为1015m-3，离子温度接近室温0.026eV，电子温度：2-4eV ；右边为标准螺旋波天线+13.56MHz射频源，其射频放电等离子体在实验区中心等离子体密度约为1017-1018m-3，离子温度接近室温0.026eV，电子温度：2-10eV。

中部线性磁场区可提供0-1000G的磁场，各磁体可独立调整和控制，充分满足构建不同磁场的要求，提供足够的操控灵活性。

针对托卡马克材料和边界研究的装置要求能够提供低能（<100eV）大束流(1022/m2/s量级或以上)的等离子体。

国际上一般采用LaB6热阴极电弧放电方式，来实现更高密度的等离子体放电，这是一项较成熟的技术。

Magnum-PSI例外，采用的是级联弧（Cascade arc）源，其整体工程设计和装置控制要复杂得多。

图1. 直线等离子体装置构成示意图。

（三）浙大LPD装置建设方案
首先，按照教学、实验、研究平台的综合要求，建议采用图1科大装置的大结构框架。

从易到难分两个阶段走。

第一阶段，首先实现射频等离子体放电的直线等离子体。

在此阶段，获得对此类放电和直线等离子体维持的实践经验，同时建立起必要的诊断系统，并可开展相应的中低密度等离子体物理研究（低温等离子体放电、空间等离子体、磁化等离子体性质等）。

第二阶段，增加一个LaB6高密度等离子体源，完善诊断系统，开展高密度等离子体边界和材料方面的研究，为国家聚变研究和ITER国际合作做出实质贡献。

近年韩国人的DiPS（图2）和MP2（图3）装置都是采用了这种RF+LaB6的双源组合方式实现一机多用功能的。

LaB6源结构上以旁热LaB6平板型为主，也有旁热圆筒型的设计，加热器以钨丝为主，也有用石墨加热器的。

LaB6源结构上还有直热式的，又具体分为圆筒切双螺旋（参见图6）和平板切缝（已被淘汰）的结构。

图2.DiPS(Divertor Plasma Simulator)示意图，左边是LaB6源，右边是RF源。

图3. MP2(Multi-Purpose Plasma)装置示意图，左边是LaB6源，右边是RF源。

浙大LPD系统具体分解
（1）RF等离子体源：标准螺旋波天线+13.56MHz射频源，天线套在连接到真空室的玻璃管上，在流过其中的工作气体中产生射频放电等离子体，等离子体扩散传输到真空室直线段，在线性磁场区形成稳态等离子体柱；
（2）LaB6等离子体源（图5）：采用钨丝加热元件（低压大电流（100A左右））加热平板LaB
6
阴极至1600°C左右，大量发射电子，在充入工作气体到0.1-1Pa 左右时，阴极与周围阳极间发生电弧放电产生等离子体，弧电压小于100V，电流在安培量级。

加热元件的支撑部分和周围的阳极应通水冷却；
（3）磁约束系统：产生的等离子体在圆形线圈磁场的约束下，传输到直线段/样品室。

每个线圈电流独立可调，为低压大电流（比如几伏/几十安培）。

线圈应该是水冷结构的；
（4）水冷热沉/样品照射平台：只研究等离子体而不做材料辐照实验时，等离子体最终应该沉积到一个水冷热沉（dump）上以避免烧毁部件。

材料辐照实验用样品（台）是绝缘的可加负偏压（200V以上/小于1A）的。

最好样品和样品台再绝缘开，有利于控制样品的温度，直接测量达到样品的束流密度。

样品台必须是水冷的，以便将打到样品（台）上的热量带走，维持样品在长时间照射时的温度稳定。

要配备两根热偶，分别用于样品和样品台温度监测；
（5）真空室：等离子体源、线性磁场区、样品台等都必须置于真空环境中，本底真空要求达到1×10-5Pa以下。

真空室壁要配上水冷系统，以带走从等离子体辐射过来的能量；磁体之间的真空室壁尽量多开窗口以方便将来安装或移装各种诊断设备进行等离子体测量；
（6）真空抽气和监测系统：真空抽气系统由无油机械泵和分子泵组成，最好配上低温冷凝泵，以便更有效地抽真空。

真空监测采用复合电离规，最好配备一台差分四极质谱仪监控真空室气体成分，亦可用来直接测量等离子体中的离子组成
（如H+/H
2+/H
3
+的份额比例）；
（7）电源系统：W加热元件电源1台，阳极电源1台，磁体电源10台，样品电源1台，样品台电源1台；
（8）供气系统：截流阀+针阀+流量计+管路，电解重水高纯氘气发生系统或外购
瓶装氘气；
（9）供水系统：等离子体源、电磁铁、真空室壁、样品台的冷却水供应。

注意带电系统的供水应该是自循环+纯化装置以提高水的电阻率，自循环纯化水带出来的热量通过热交换器由自来水带走；
（10）诊断系统：手动探针/气动探针测量电子温度/密度（组成：探针头+探针气动移动机构+双向电源（负200V-正200V）+控制和数据采集）；表面温度监测用红外比色测温仪；可见光光纤光谱仪。

（11）控制和数据采集系统：热偶、压强、质谱仪、探针、测温仪、光谱仪等的控制和测量信号采集；
（12）安全连锁系统：断水、断气、断电、关键点温度超标等异常/事故状态的监测、报警、动作连锁设定，紧急状况一键停机设定等。

一般工作时是一头一个源加上另一头的dump 或样品台，不同的实验目的可以灵活换用不同的组合，其他部分则是共用的。

总体和LaB6源设计的3D 效果分别如图4和图5所示。

作为对比，也给出了一些国外设备的设计示意图或照片。

图4. LPD 装置示意图，左边是LaB6源，右边是RF 源。

图5. LaB6源设计示意图。

LaB6平板阴极
热钨丝
图6. PISCES-A示意图，左边为LaB6源，右边为样品台。

LaB6双螺旋阴极
图7. JAEA的LPD示意图(+电源连线），真空室内左边为LaB6源，右边为样品台。

图8. 上为MP2全貌，下为LaB6源以及产生的等离子体的照片。

图9. Magnum-PSI的Cascade arc源照片以及两次差分真空系统示意图。