EAST壁材料辐照行为研究

指导老师：罗广南研究员报告人：吴婧2009.12.8EAST壁材料等离子体辐照行为研究EAST壁材料等离子体辐照行为研究意义国内外相关研究和发展趋势选题内容和方法面临的问题和预期成果已完成的工作和下一步计划1

现阶段EAST边界杂质：主要C（SOL流对壁表面的轰击），其次O（吸附）,CO化合物，CH化合物等壁表面温度：局部热点可达1000°以上一、EAST壁材料等离子体辐照行为研究意义2

钨偏滤器和钨壁：H、He辐照效应（低的T储存和肿胀）、中子辐照效应（发脆）、高辐射性、高Z（在等离子体中可容许浓度低）可能的问题：对中心等离子体造成污染必要性：保证石墨瓦到钨内壁的过渡石墨瓦：高化学腐蚀——碳氢化合物/碳氧化合物，erosion/deposition/

codeposition/redeposition；实验表明限制器处的石墨瓦损伤严重；可能的问题：壁材料的寿命、芯部等离子体密度不稳定必要性：为5-8年甚至更长时间内的石墨内壁Tokamak稳定运行提供理论依据a.new,b.

erodedc.depositedcarbontiles(EAST)JNM363-365(2007)1241-1245metallographofVPS-W3二、国内外相关研究和发展趋势Neterosion-壁材料寿命Erodedmaterial，transport—再沉积，不定形层C-T共沉积——safetyrestrictions现在的关注共沉积层在离等离子体较远或被屏蔽的区域生长；Shadowed区域的共沉积，难以清除，富H的C沉积层，esp.偏滤器内靶板，金属PFM可显著消除此现象（390-391（2009）38-43)主要研究对象：理解材料腐蚀、迁移、沉积的机理包括磁场位形（静态和扫描态下）、充气实验对其的影响等主要方法：从postmortem到in-situ原位测量4主要装置的相关研究JT-60U:surfaceprofilometry(dialgauge),SEM,XPS

13CH4puffexperimentsJET:markertiles(SIMS,IBA/RBS,micrometer)

13CH4puffexperiments(SIMS,IBA,TOF-ERDA）

quartzmicrobalance(QMB)DIII-D:13CH4puffexperimentsQMBTEXTOR:poloidalstripecolorimetry,interferencefringeanalysisandellipsometry–depositionthickness;electronprobemicroanalysis(EPMA)-depositioncomposition;elasticrecoildetectionanalysis(ERDA)-Hcontent;sputterAugerelectronspectroscopy(AES)-constitutentsdistribution(exceptH&D);

Thermaldesorptionspectrometry(TDS)AUG:markertiles(RBS,SIMS,SEM)

13CH4puffexperiments(NRA,colorimetrytechniques)QMB5Markerstripe(15mmwidth)(pulsedplasmaarc)2002/2003~3.1μmCon~230nmRe,~7.5μm

Con~230nmRe

2004-2005Wmarker：~260nmW,~560nmWCmarker：~4μmCon150nmRe2006/2007Wmarkerstripeforneterosion/depositionUncoatedCareafornetdeposition分析：erosion——RBS&SIMS(Re、Wmarker)deposition——RBS&SIMS(O,B的分布)&SEM

MarkerJNM.337-339(2005)119PhysicaScriptaT128（2007）106MatejMayer,Sino-GermanWorkshoponPWI(2009)6JET：每块瓦的极向边上做slot，作为参考点(micrometer实验前后对照测)JNM313-316(2003)419-423slotTEXTOR石墨瓦，3toroidal*9poloidal，φ5mm*0.15-0.45mm，W保护

JNM313-316(2003)311-32074、TDS通过烘烤试样，结合四级质谱仪测定脱附出的各种气体量，进而分析总滞留量和捕获状态3、NRA通过测量核反应产物评定成分分布（如α粒子、光子、D核等），多用于H同位素滞留分析，深度受粒子束能量等限制2、SIMS质谱法分析,得到各元素的纵向成分和分布信息（包括H同位素），常结合X射线光电子能谱XPS测化学态分析：1、RBS分析背向散射α粒子能量，反映靶元素种类、组成、纵深分布，得到刻蚀深度信息，常辅以SIMSH4.SMR/1503-12JNM367-370(2007)1432-1437JNM329-333(2004)894-898JNM367-370(2007)1266-12708

QMBQMB的放置——只可接收中性粒子，或宏观C簇包括D原子可研究configuration的位移对erosion/deposition的影响（即localgeometry）估算装置里，每次脉冲的T沉积（co-deposition）量——PFMlifetimeJETJNM390-391(2009)148-1519三、选题内容和方法腐蚀/沉积现象分析EASTH段极向方向固定样品实验，通过分析长周期托卡马克实验壁材料组分形貌深度分布等变化，研究壁材料的腐蚀/沉积机理，并利用材料测试平台(MAPES)分析等离子体辐照效应对材料的连续作用。目的：1、测定腐蚀/沉积成分及深度分布变化；2、评定控制（如温度？充气？位形控制？）与腐蚀/沉积的相互影响。H/He滞留行为的研究与腐蚀/沉积实验同步进行，根据EAST的实际环境和要求，通过各种H同位素、He以及材料表征方法，分析氢同位素等离子体及He在PFM内的滞留及其作用机理。目的：1、测定EAST内PFM氢同位素深度分布及He的分布；2、评定EAST内壁材料对氢同位素及He滞留的影响。10标记瓦制备tiles：100μm厚SiC梯度涂层的多元掺杂石墨（CVR\CVI）

VPS-W涂层1mm，基体为无氧铜，过渡夹层0.2-0.3mmmark：1、涂层带石墨瓦marker：W/SiC——erosion/deposition/retentionW模块marker：W（不同厚度）

考虑不同厚度、不同向（toroidal/poloidal）

真空镀膜——磁控溅射2、涂层优化石墨瓦内部结构，以无SiC涂层的瓦直接溅射标记层11EAST实验Bd1-4ODd1-6Dd1-6IDd1-6Du1-6IDu1-6ODu1-6Bu1-4EAST内特定位置瓦H段，包括窗口（MAPES,2010）H段，极向方向系列标记瓦，poloidal/toloidal方向标记带——长周期托卡马克实验(积累效应)H段的材料测试平台，poloidal/toloidal方向的标记带——短周期实验（连续作用）1、结合光谱、探针、红外相机：

SOL杂质成分、温度，破裂时重相互作用区域等参数2、结合充气实验等，考虑13CH4充气12EAST实验后的分析试样准备(标记瓦)：金刚石线锯（图）切割石墨瓦，降低滞留分析可能的试样玷污。测试与分析：1、表面形貌：金相分析、SEM2、腐蚀（纵深）：RBS，SIMS3、沉积（纵深）：SIMS，SEM4、滞留：SIMS、NRA、TDS(2011)5、瓦表面化学键状态：XPSSTX-602精密台式金刚石线切割机

13面临的问题预期成果表面粗糙度高，腐蚀过程为微观的缓慢过程，难以测定；EAST壁材料是独有的，针对这种材料所做的纵向刻蚀沉积分析前所未有确定可长期参考的合适标记和相应的测试方法，得到高精度结果，结合模拟，给出EAST壁材料腐蚀的基本数据并因石墨切割时易产生大量粉尘，易玷污试样，故deposition的SEM困难改善试样切割方法；利用所外资源，用SIMS等方法，解释腐蚀/沉积机理测H为避免瓦内成分改变，应避免或尽量减少制样过程中含H冷却液、潮湿空气接触及明显升温，切割困难改善切割方法，得到尽可能少玷污的试样；采用合适的方法进行滞留分析，可以提出改善滞留问题的有效方法EAST实验中难以预料或控制的问题，如回温不到位开真空室、需长时间通风后取瓦而造成的试样玷污等EAST实验内参数复杂，分析困难初步给出怎样的控制可以降低壁辐照损伤，如温度？充气？位形控制？142008T暴露实验后的BIXS分析（石墨、SiC、W试样）2009初步完成BIXS分析计算模拟，并和实验数据对照分析石墨瓦标记的试制（磁控溅射涂层，第一次标记瓦实验）2010.1-3EAST实验及制样设备和具体分析方法的准备2010.3-8标记瓦实验的分析，改进标记方法和下一轮实验的标记瓦准备2010.8-12第二次标记瓦实验，材料测试平台？针对W？2011-2012第三/四次实验，数据的汇总和分析五、已完成的工作和下一步计划Thankyouforyourattention！15分析：1、RBSRBS：分析背向散射α粒子能量仅由待测靶材内被撞击的特定原子质量与其在靶材内的位置或深度决定靶材内元素种类、组成、纵深分布H4.SMR/1503-1216

CFC瓦边表面D的深度分布（3He+反应）通过测量核反应产物评定成分分布中子活化分析或非中子激发源方法（如α粒子、光子、D核等）局限性：以JET\TEXTOR使用的3He+束为例：3He+束能量：D,BeandC：2.5MeV

范围：0.7-3MeV探测深度：1.3μm-10μm沉积深度max：approx.25μm

JNM367-370(2007)1432-1437分析：2、NRA17

分析：3、SIMS（结合X射线光电子能谱XPS测化学态）intheouterdivertorandbaffleplate用质谱法分析由数KeV的一次离子打至样品靶上溅射产生的正负二次粒子intheinnerdivertor

andbaffleplateCs+溅射溅射率：1μm/hr溅射时间：6000s测量深度：1.7μmJT-60U,JNM329-333(2004)894-898AlltileswereexposedtodeuteriumandhydrogendischargesfromJune1997toOctober199818

不同位置处石墨瓦中T滞留分析：4、TDS干燥氩气中T的释放曲线通过烘烤试样，结合四级质谱仪测定脱附出的各种气体量，进而分析总滞留量和捕获状态JT-60U,2005AlltileswereexposedtodeuteriumandhydrogendischargesfromJune1997toOctober1998191、氚暴露实验氚的β衰变产生的放射性使用检验放射性的设备来测试氢同位素的行为成为可能。

氚暴露实验装置BIXS

20氚深度分布分析

BIX