壁处理(清洗)

1、GDC和ICR 壁处理（清洗）胡建生2007-2-32006夏季实验壁处理总结夹层夹层N N2 2烘烤烘烤在在16个小时内，进气温度由个小时内，进气温度由119度上升到度上升到173.5度，出度，出口温度由口温度由52.3上升到上升到125.5度，真空度由度，真空度由6.5E-5上升到上升到3.4E-4Pa，效果非常明显。，效果非常明显。HT-7 ASIPP00:0000:0600:1200:1800:2400:3000:3600:4200:4800:5401:00Time (hh:mm)-81.0 x10-71.0 x10-61.0 x10-51.0 x10-41.0 x10Painner

2、vesselSep 16, 2006 03:56:52 AM - Total Pressure24141618283240445503:1503:2103:2703:3303:3903:4503:5103:5704:0304:0904:15Time (hh:mm)-81.0 x10-71.0 x10-61.0 x10-51.0 x10-41.0 x10Painner vesselSep 16, 2006 03:56:52 AM - Total Pressure241416182832404455夹层夹层N2烘烤回温期间分压变化烘烤回温期间分压变化直流辉光（直流辉光（GDC）放电前放电前H2-G

3、DC累积为累积为37小时，小时，He-GDC累积累积为为4小时；小时；H2-GDC对多数杂质的清洗效果明显，但对水对多数杂质的清洗效果明显，但对水似乎影响较小，主要是因为有限的烘烤水平，在似乎影响较小，主要是因为有限的烘烤水平，在水作为主要的杂质并且无法有效抽出的情况下，水作为主要的杂质并且无法有效抽出的情况下，GDC的意义不大，需要加大烘烤力度。的意义不大，需要加大烘烤力度。放电期间放电期间He-GDC为主。为主。装置漏气影响装置漏气影响He-GDC清洗清洗效果，主要表现在效果，主要表现在清洗过程中清洗过程中H2O增加，结束后不长的时间内增加，结束后不长的时间内O2很很快积累。快积累。HT-

4、7 ASIPP不同壁处理过程中气体分压不同壁处理过程中气体分压HT-7 ASIPP00:0000:2600:5301:2001:4702:1402:4103:0803:3504:0204:29Time (hh:mm)-101.0 x10-91.0 x10-81.0 x10-71.0 x10TorrT window increasing (baking)Sep 08, 2006 08:23:34 PM - Total Pressure2414151828324457Baking before H2-GDC00:0000:1300:2600:3900:5201:0501:1801:3101:440

5、1:5702:10Time (hh:mm)-101.0 x10-91.0 x10-81.0 x10-71.0 x10-61.0 x10-51.0 x10-41.0 x10Torr0909 13:00 during H2 GDCSep 09, 2006 01:43:01 AM - Total Pressure241415182832445716During H2-GDCHT-7 ASIPP00:0000:2000:3900:5901:1901:3901:5902:1902:3902:5903:19Time (hh:mm)-121.0 x10-111.0 x10-101.0 x10-91.0 x1

6、0-81.0 x10-71.0 x10-61.0 x10Torrafter H2 GDC, pumping downSep 09, 2006 03:17:21 AM - Total Pressure241415182832445716After H2-GDC pumping down00:0000:3001:0001:3002:0002:3003:0003:3004:0004:3005:00Time (hh:mm)-101.0 x10-91.0 x10-81.0 x10-71.0 x10TorrbakingSep 09, 2006 05:51:46 AM - Total Pressure241

7、415182832445741Baking after H2-GDC上轮实验中壁处理过程中存在的主要问题上轮实验中壁处理过程中存在的主要问题 关键问题是漏气 导致其它壁处理效果不明显； 数据难以处理。 烘烤 夹层烘烤投入晚； PFC和窗口烘烤不持续、温度不高； 抽气管道烘烤温度低。 GDC系统绝缘和漏气，导致部分电极无法使用。 ICRF天线损伤，ICR清洗无法进行。上轮实验壁处理的总结上轮实验壁处理的总结 需要最大限度确保装置没有漏气。需要最大限度确保装置没有漏气。 保持保持PFC和窗口烘烤的同时，加强和窗口烘烤的同时，加强N2烘烤，保持在合理烘烤，保持在合理的最高温度。的最高温度。 利用低温

8、泵对水等气体的大抽速，将装置内水气降低到足利用低温泵对水等气体的大抽速，将装置内水气降低到足够低地水平。够低地水平。 在水气已经较少时，在加强在水气已经较少时，在加强N2烘烤的同时，采用烘烤的同时，采用H2-GDC来处理器壁上可能吸附的氧（包括氧化层等）、油来处理器壁上可能吸附的氧（包括氧化层等）、油等，使得氧和油处于很低水平。等，使得氧和油处于很低水平。 根据残气情况，根据残气情况，H2-GDC与低温泵抽气间交替进行。与低温泵抽气间交替进行。 用用He-GDC来清除装置内存留的来清除装置内存留的H2。 硼化等。硼化等。HT-7 ASIPPHe-GDC and He-ICR in EAST-

9、2007Exp.基本完成预期的实验内容。需要同氧化实验等做比较。Calibration of gauges仅用仅用10-4量级中数据，则量级中数据，则P1.2=4.5P1.3Pump speed for He(4 Turbo-pump)1Pa.L/s=25E16M./s误差主要来源于压强标定，如果实际压强比标定结果高，则抽速曲线向高压强误差主要来源于压强标定，如果实际压强比标定结果高，则抽速曲线向高压强一侧移动，并且抽速相应降低。只要压强同测量值之间线性关系良好，对后续一侧移动，并且抽速相应降低。只要压强同测量值之间线性关系良好，对后续清除率计算影响不大。清除率计算影响不大。Here are

10、typical pump speed of Drag Turbo-pump-PfeifferTypical pump speed of normal Turbo-pump without drag components would move to low pressure by an order of 2.Similar as the curve in EAST.He-GDC（01/01） P1.23.6PaTwall=150oC H2RR=900200 X1016/s CORR=15050 X1016/sHe-GDC(01/10)Twall=7080oCP1.22.3Pa H2RR=2008

11、0 X1016/s CORR=64 X1016/sHe-GDC (01/27) Twall=1060oCP1.22.2Pa H2RR=200100 X1016/s CORR=41 X1016/sHe-ICR(01-14)P1.2=1.3E-2Pa,15kW, Twall=7080oC H2RR=7050 X1016/s CORR=1.41 X1016/sHe-ICR(01/18) between 32153216, 10kW, 4.5E-3PaTwall=7080oCH2RR4075 X1016/sCORR40X 1016/sCORR=21.5X1016/sHe-ICR&He-GDCH

12、e-GDCHe-GDCHe-GDCHe-ICRHe-ICRHe-ICRdate01-0101-1001-2701-1401-1801-26Twall(oC)15070-80106070-8070-801060Pressure(Pa)3.62.22.21.2E-24.5E-34.5E-3Power(Kw)111151015Duration(min)105400250400100120H2(X1016/s)900200200802001007050406010040CO (X1016/s)1505042411.411.5Pump speed: He-GDC 80L/S &He-ICR 90

13、00-15000L/SRemoval rates of H2, CO in He-GDC is higher that in He-ICR by a factor of 2.Wall condition influence?Wall temperature influence?EAST He-ICR 和和He-GDC比较比较1. He-ICR: 抽速较大，工作压强可以很宽；杂质清洗效果抽速较大，工作压强可以很宽；杂质清洗效果受到壁状态影响。受到壁状态影响。2. He-GDC：抽速较小，工作压强：抽速较小，工作压强0.5Pa；杂质清洗效果也；杂质清洗效果也受到壁状态影响。受到壁状态影响。3. 一

14、般地，一般地，He-GDC对对H和和CO的清除率是的清除率是He-ICR的两倍左的两倍左右。右。4. 在干净器壁上，在干净器壁上， He-GDC对杂质清洗也有效果。其与对杂质清洗也有效果。其与He-ICR区别可能在于杂质吸附和作用区域不同。区别可能在于杂质吸附和作用区域不同。5. 同同HT-7结果类似。结果类似。He-ICR(01/14)Twall=7080oCTL=4000A高气压、高功率的高气压、高功率的ICR有利于清洗。纵场影响比较小。有利于清洗。纵场影响比较小。H2 Removal ratesRemoval rates17：10 IT=4.0KA 17：18 IT=4.5KA 17：2

15、0 IT=5.0KA 17：22 IT=5.5KA 17：35 IT=6.5KA 17：38 IT=7.0KA 17：39 IT=7.5KA 17：41 IT=8.0KA 0114ICRF图片比较图片比较 He-ICR(01-25)Removal ratesH2 Removal rates在抽速改变大的压强区间内，提高压强会同抽速形成类似负反馈，在抽速改变大的压强区间内，提高压强会同抽速形成类似负反馈，导致压强进一步升高，抽速进一步降低。一旦出现这种情况，充导致压强进一步升高，抽速进一步降低。一旦出现这种情况，充气速率降到零，气压也需要几分钟才能下降。气速率降到零，气压也需要几分钟才能下降。影

16、响He-ICR因素磁场强度磁场强度 共振层应不同，导致清洗区域可能不同，但对总体清除效果似乎影响很共振层应不同，导致清洗区域可能不同，但对总体清除效果似乎影响很小，需要多点样品分析才能搞清楚具体影响（做起来很难）。小，需要多点样品分析才能搞清楚具体影响（做起来很难）。占空比占空比 太小，粒子不易于被抽出；太小，粒子不易于被抽出； 太大（太大（0.3s/5s, 1s/5s, 1s/9s)，粒子释放减少，影响总清除率；，粒子释放减少，影响总清除率； HT-7目前常用的如目前常用的如0.3s/1.2s,1s/2s效果比较好，清除效果也没有什么区别。效果比较好，清除效果也没有什么区别。功率功率 功率越

17、高，清除效果越好。功率越高，清除效果越好。压强压强抽速抽速 压强和抽速的影响是相关的；压强和抽速的影响是相关的； 在抽速没有改变的区间内，提高压强是有利的，否则会同抽速形成类似在抽速没有改变的区间内，提高压强是有利的，否则会同抽速形成类似负反馈，没有好处；负反馈，没有好处； 在压强恒定的情况下，提高抽速能够按倍数提高清除率；在压强恒定的情况下，提高抽速能够按倍数提高清除率； 在流量恒定的情况下，提高抽速能够降低总压，进一步提高抽速，总体在流量恒定的情况下，提高抽速能够降低总压，进一步提高抽速，总体效果变化不很明显。效果变化不很明显。0204060801001201E201E211E221E23

18、 Removal rate(molecules/hour)Time(min) amu 2 amu 3 amu 40204060801001201E191E20 Removal rate(molecules/hour)Time(min) amu 15 amu 18 amu 19 amu 200204060801001201E19 Removal rate(molecules/hour)Time(min) amu 28 amu 32 amu 441 23 4 5 6 7He-ICRF cleanings in HT-7T. limiter 100150C; T.liner 198222C. 1.1

19、.9E-2Pa 20kW2.1.9E-2Pa 40kW3.5.9E-2Pa 20kW4.5.9E-2Pa 40kW5.0.1Pa 20kW6.0.1Pa 40kW7.1.9E-2Pa 20kW(Repeat the first procedure)Removal rates4x1021/hour =111x1016/sHe-ICR after oxidation in 2004Exp.HT-7 和和EAST上上He-ICR比较比较 由于壁温不同使得比较相对困难，但可以得到下列结果：由于壁温不同使得比较相对困难，但可以得到下列结果： 在在EAST工作气压可以达到工作气压可以达到10Pa左右，而在

20、左右，而在HT-7我们实我们实验的最高气压为验的最高气压为0.14Pa。 在在EAST最高功率为最高功率为20KW，而在，而在HT-7我们实验的最高我们实验的最高功率为功率为60KW 。 H清除率基本在同一量级。清除率基本在同一量级。 功率、气压和壁状态的影响相似功率、气压和壁状态的影响相似 高功率、高压强有利于高功率、高压强有利于H的释放；的释放； 在脏的壁上，在脏的壁上，He-ICR有利于杂质清除；有利于杂质清除； 在干净壁上，杂质清除比较复杂：在干净壁上，杂质清除比较复杂： 清洗过程中，清洗过程中，CO和和CO2分压下降；分压下降； 清洗参数有一定的影响。清洗参数有一定的影响。 明显的明

21、显的C-H化合物生成，但对化合物生成，但对H释放的贡献很小。比在释放的贡献很小。比在H-等离子体放电中等离子体放电中C-H化合物生成小很多。化合物生成小很多。思考思考 改善在壁处理工作压强范围内的抽气能力改善在壁处理工作压强范围内的抽气能力 增加拖动分子泵可以使得分子泵抽速曲线向高压强增加拖动分子泵可以使得分子泵抽速曲线向高压强移动移动2个量级；抽速下降区间提高到个量级；抽速下降区间提高到0.1Pa。 抽气能力没有改善的情况下，提高工作压强是没有抽气能力没有改善的情况下，提高工作压强是没有意义的。意义的。 提高功率是有必要的；提高功率是有必要的； 判断不同壁状态对等离子体放电的影响，采取相应参

22、判断不同壁状态对等离子体放电的影响，采取相应参数数He-ICR； H 还是杂质的影响较大？还是杂质的影响较大？ 如何判断？如何判断？ 如何研究和优化参数？如何研究和优化参数？ 如何合理安排不同清洗？如何合理安排不同清洗？氧化壁处理需要研究的主要内容氧化壁处理需要研究的主要内容胡建生2007-02-02温度对氧化壁处理效果的影响温度对氧化壁处理效果的影响 提高超导托卡马克装置第一壁的烘烤温度、改善温度的分布对于提高氧化壁处理对再沉积层清除效果、增加氢的释放、降低氧在装置内滞留是非常重要的。 器壁温度的升高有利于气体的释放，提高粒子的清除效率； 器壁温度的升高有利于提高再沉积层的活性，增加其同氧发

23、生氧化反应的几率，提高再沉积层的清除效率。在HT-7试验中器壁温度约为 400-470K，而在TEXTOR热壁氧壁处理化试验中器壁温度约为500-700K，在中性气体热氧化中，TEXTOR和HT-7装置实验结果表明高的器壁温度有利于再沉积层的清除和氢的释放。在超导托卡马克装置上，器壁烘烤温度和均匀度是有限制的。 如果再沉积层在装置面对等离子体的表面上分布均匀，由于温度的影响，再沉积层的清除也不会很均匀。 装置内部温度的不均匀也会影响氧在器壁上吸附。无论是氧气还是氧化物，尤其是水，在低温表面的吸附是氧在壁上滞留的主要原因之一。再沉积层分布和类型的影响再沉积层分布和类型的影响 再沉积层分布是不均匀

24、的。再沉积层分布是不均匀的。 在氧化过程中，已经被等离子体腐蚀的表面将进一步被氧腐蚀； 在没有再沉积层的内衬表面，氧同不锈钢的直接接触将会形成金属氧化物，并且这些金属氧化物不能被有效抽出，导致氧在壁上的永久滞留，并在等离子体放电中受等离子体轰击而逐步释放，影响等离子体的品质； 不能准确的判断和计算在氧化过程中再沉积层的清除厚度； 由于在氧化过程中，再沉积层的清除位置可能具有选择性，导致有些表面的再沉积层无法清除。比如在O-ICR清洗过程中，由于磁场的影响，对不同位置再沉积层的清除效果是不同的。再沉积层的类型也可能影响氧化实验结果的分析。再沉积层的类型也可能影响氧化实验结果的分析。比如那些结构比

25、较松散的软膜或者易于剥离的很薄的膜易于通过氧化反应清除掉，而那些结构导致密的再沉积层可能不易于很快被清除掉，所以难以判断什么时候装置内再沉积层基本上被清除掉。虽然已经做了部分实验，但还不能完全反映氧化壁处理对不同位虽然已经做了部分实验，但还不能完全反映氧化壁处理对不同位置和类型再沉积层的清除，比如对硬置和类型再沉积层的清除，比如对硬/软膜清除的区别、缝隙和阴软膜清除的区别、缝隙和阴影区再沉积层的清除等。影区再沉积层的清除等。 提高再沉积层清除率提高再沉积层清除率 实现快速清除再沉积层和释放氢同位素提高氧化壁处理过程中的工作压强和功率；改善He/O比例；提高器壁的烘烤温度；增加抽气系统能力。氧的

26、滞留氧的滞留氧在装置内滞留或者污染是氧化壁处理在托卡马克装置上应用的主要障碍。 暂时滞留 氧及氧化物在壁上的吸附及在真空中残留气体 永久滞留 氧粒子同金属发生反应而形成的金属氧化物 比较难以被清除 虽然在氧化实验中可以采取一定的措施来减少氧在装置内滞留，但多数情况下是需要牺牲再沉积层的清除率。 降低工作压强；增加He在氧等离子体中比例，将会减少参与氧化反应的氧粒子数量，导致再沉积层清除率的减少；虽然提高O-ICR功率可以同时满足降低氧滞留和增加再沉积层的清除率，但O-ICR功率的增加也是有限制的。根据器壁材料的不同，在氧化实验中氧和氧化物吸附也是不同的 不锈钢及金属器件 石墨材料和再沉积层 硼

27、膜和硅膜。氧的清除氧的清除原则上在材料表面或者材料中吸附的氧可以直接通过烘烤进行清除；金属化合物存在的氧与金属本底的结合力相当高，仅仅通过烘烤是难以清除的 ；要求对装置第一壁进行更为主动的清洗 辉光放电清洗 离子回旋放电清洗 HeDH 根据采用的清洗方法、参数、时间等，氧的清除程度是不一致的。 D2为工作气体的清洗中，氧的清除效果明显优于以He为工作气体的清洗 在清洗过程中，对器壁的进行烘烤也有利于提高清洗效果 破裂等离子体放电可以对器壁做进一步清洗 ；烘烤、氧化壁处理、氧的清除、破裂等离子体放电在不同阶段采取优化的参数外，这些过程需要合理安排，以减少氧化实验的总时间。快速恢复等离子体快速恢复

28、等离子体 1）减少放电前氧的滞留量；2）改变氧滞留状态；3）增加破裂放电的频率，缩短所需要的总时间；4）保持对壁的烘烤；5）采用大抽速低温泵抽气；6）对装置第一壁进行硼化处理。第一壁材料的影响第一壁材料的影响 影响在等离子体放电过程中材料的腐蚀，进而影响再沉积层的形成，影响氢的滞留。 氢在不同材料中滞留状态不同。 在不同材料中滞留的氢的清除要求不同。 第一壁器件分布的影响第一壁器件分布的影响 对在等离子体放电过程中再沉积层的分布和氢的滞留有一定的影响，比如碳材料部件的位置和面积等； 对在氧化过程中再沉积层的清除有一定的影响 ； 影响在氧化壁处理过程中氧的滞留 。磁场结构的影响磁场结构的影响 磁

29、场也可以影响在等离子体放电中材料的腐蚀与沉积。 在JET中，内偏滤器角落的再沉积层明显比在外侧角落中的厚。 在HT-7样品实验也反映了磁场在O-ICR壁处理过程中对不同位置再沉积层的清除效果不同。氢同位素的影响 在等离子体放电过程中导致材料腐蚀和沉积不一样 ； 以离子注入方式进入材料表面的滞留是不一样的； 在再沉积层中滞留状态是不一样的，主要表现在同碳的结合程度。 TDS分析过程中，HT-7石墨瓦上H和D的释放所需要的温度不一样，H比D更容易被释放 在目前托卡马克装置上，主要是以D作为等离子体的工作气体，同时由于硼化、不锈钢材料的应用导致H在装置内大量存在。 HT-7氧化实验表明，氧化壁处理可

30、以同时有效的清除H、D，但清除效果有所不同。 在TFTR上氧化实验表明，氧化壁处理可以有效的清除T。 未来D-T、T-T反应的聚变装置中，D和T将是滞留在再沉积层中的主要成分，氧化壁处理应该可以清除D、T。 由于T的成本很高，在未来D-T、T-T反应的聚变装置中，氧化壁处理的应用还需要考虑所清除的T的利用。氧化壁处理对装置的影响氧化壁处理对装置的影响 氧化壁处理是否对装置及相关系统产生损害是影响其应用的最关键因素。 氧化壁处理作为清除再沉积层和氢的有效手段，如何避免在使用过程中对装置的污染和损害仍然需要进一步研究，尤其是对不同材料的污染，以满足未来装置的需要。 在氧化壁处理过程中，氧的滞留将不

31、可避免地产生对装置的污染，并有可能损害装置内部的部件。虽然可以通过清洗清除装置内部分滞留的氧，氧的污染仍然会影响等离子体放电，影响装置的持续有效的运行。尤其是在氧化壁处理过程中将有部分氧将与装置内金属材料发生氧化反应，并生成难以被清除的金属氧化物，形成相对持久的氧污染，并将缓慢影响等离子体放电。 在很多装置都曾经发生装置泄露的情况，如Tore Supra，如果此时装置的壁温比较高，也会发生氧化反应，但没有任何装置报道因为泄露导致装置严重被破坏，造成不可修复的损害。即使等离子体放电品质下降，但通过烘烤和清洗，以及其它壁处理，等离子体完全可以恢复。 在EAST装置第一轮等离子体物理实验过程中，装置

32、长时间存在10-4L/s的漏气，无论清洗还是等离子体放电，都会发生一定的氧化过程，但也没有人能够给出装置或者其它设备被破坏的报道。 在TEXTOR装置氧化实验后，通过硼化，等离子体放电可以很快恢复。 Asdex Upgrde 进行了49小时He/O2-GDC清洗实验表明O-GDC不会在W材料上形成氧化物，也不会因氧等离子体轰击而发生化学腐蚀，也没有装置被损害的报道。 TDS分析表明在氧化实验后，经过氧化实验后石墨瓦中释放的气体中O/C比例升高约一倍，但因C的释放总量下降（主要是再沉积层释放），氧的释放总量并没有实质变化。这也说明氧化实验并不会导致氧在石墨中永久滞留增加(与装置暴露空气吸附氧相当

33、)。比如在HT-7上，经过和不经过氧化实验的不锈钢材料表面的氧分别占8%和5%左右。 在HT-7装置上，虽然在氧化实验后有多次破裂等离子体放电，但等离子体仍然可以恢复。在HT-7装置上，在装置长时间暴露大气后，虽然经过长时间清洗，如果不进行硼化，等离子体破裂次数并不比氧化后破裂次数少。 HT-7装置上所采用的主要测量设备是真空规管和质谱计，经过氧化实验后，并没有发现它们有实质性损害。采用裸露的加热丝在氧化过程中给内衬加热，但在氧化过程中也没有发现因氧化导致加热丝烧断等损害。经过氧化实验后，没有任何人报告诊断设备因氧化实验的原因导致损坏或者性能下降。但是一个不可以忽视的事实是在HT-7氧化实验中

34、，关键的易于损害的诊断器件均停止了工作。所以说目前仍不能断定氧化壁处理在未来装置中是否会造成损害。鉴于氧化壁处理可以不测量氧等离子体参数，仅采用真空设备就能够得到清洗效果，可以关闭重要的诊断设备，以保护它们不被氧化是可以的。 在在ITER装置应用装置应用 ITER第一壁材料的选择还没有完全固定下来。是否用碳作为前期材料还在讨论中。HT-7装置为限制器装置，能否完全外推到偏滤器装置还不确定，需要在EAST等偏滤器装置上进行实验。如果ITER装置壁材料采用 BeWC的组合，氧化对W、Be的影响还没有进行很好研究。ITER中再沉积层分布和特点还不是很清楚。目前还不完全清楚在ITER中材料的腐蚀和沉积

35、状况。T的滞留机制还未完全清楚，T在不同材料中滞留行为还没有系统研究。在混合材料的再沉积层中氢滞留和氧化清除有哪些特点和要求需要进一步研究。ITER放电的具体要求，比如放电间隔多少也不很清楚。在放电间隔如何进行有限氧化壁处理而达到对再沉积层和T清除、等离子体放电的要求。目前估算得到的清除率能否满足ITER装置的要求需要进一步研究。氧对ITER装置及相关系统损害需要进一步讨论。如何从氧化产物提炼出T也是一个挑战性工作。实验目的实验目的 氧化实验:O-ICR和O-GDC。 a) 两者之间的比较； b) 同HT-7实验结果比较； C) 氧化壁处理对全金属壁的H清除效果； D) 为后续实验提供数据积累。 工作气体采用工作气体采用4:1 He/O2 以减少氧的滞留；以减少氧的滞留；H-GDC（ICR）清除氧为主