纳秒激光烧蚀托卡马克装置高z壁材料等离子体动力学演化诊断研究

论文摘要

激光诱导击穿光谱（Laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS）技术目前己应用于EAST托卡马克的第一壁元素原位在线诊断,包括壁的锂化、杂质沉积、等离子体燃料滞留等多种等离子体与壁相互作用（Plasma Wall Interaction,PWI）过程。目前基于LIBS技术对面向等离子体材料（Plasma Facing Materilas,PFMs）的诊断,尤其是原位在线的诊断仍处于定性分析阶段,LIBS精确定量分析是其目前的主要挑战。实现准确定量分析的一个关键因素是对激光烧蚀以及激光等离子体在不同条件下动力学行为的深入理解,从而为建立合适的具有准确物理意义的定量模型提供实验和理论支撑。针对LIBS诊断PWI技术瓶颈,为最终实现准确定量分析奠定实验和理论基础,本文开展开了对纳秒激光烧蚀高Z壁材料等离子体动力学演化基本物理过程的细致研究工作。研究手段包括光谱、快速成像和质谱三种方法,对等离子体羽辉、等离子体中瞬态电子、原子、一价离子和多电荷态离子在不同条件下的动力学演化进行了研究分析,具体内容如下:第二章,研究了在高真空条件下等离子体辐射从纳秒到微秒跨越3个量级的时间尺度演化特性。研究发现,在高真空环境下激光烧蚀产生的钨（W）等离子体演化的不同阶段中,多种辐射机制存在:连续背景辐射主导时间段为10-100 ns,离子谱线主导时间段为60-300 ns,原子谱线主导时间段为100-800 ns。测量发现获得最优分立光谱信号的探测门延迟时间应在100 ns。在100 ns时,W等离子体中电子密度可达4×1017 Cm-3,电子温度可达1.3 eV,且随着等离子体膨胀不断降低。发现激光诱导W等离子体产生初期200 ns以内,等离子体电离率在90%以上。第三章,细致研究了环境气压（真空到大气压）、外加磁场对激光诱导等离子体光谱发射以及等离子体羽辉膨胀动力学演化过程的影响。在3.5×10-5 mbar到大气压的范围内,W等离子体的连续背景辐射、离子谱线、原子谱线强度均在0.1 mbar开始明显增强,并且连续背景辐射强度随着气压升高呈现单调递增的趋势,而离子谱线和原子谱线强度在几十mbar气压下取得最大值。连续背景辐射到达峰值的时刻（约25 ns）几乎不随气压发生明显变化。离子谱线和原子谱线强度对应峰值时刻则随着气压增加而滞后。快速成像实验结果表明在1 mbar左右,等离子体形状最规则,而光谱信号质量也在lmbar最高。随着环境气压增加,环境气体的约束作用导致等离子体尺寸变小,等离子体的电子温度和电子密度随着气压升高而增加,等离子体发光时间变长。在环境气体作用下,等离子体羽辉呈现复杂特征,如等离子体羽辉约束,等离子体分裂,冲击波变形等。在高真空及磁场环境下,连续背景辐射几乎不受磁场影响,W离子和原子谱线强度则分别在200 ns、400 ns之后被磁场显著增强,并且发现磁场使得W离子和W原子输运速度分别降为原来1/4和1/2。快速成像表明磁场使等离子体的膨胀速度降为原来的近1/3。与无磁场的情况相比,光谱发射的增强与有磁场时更高的电子密度和电子温度有关。第四章,研究了激光诱导等离子体中的“瞬态电子”、一价离子和原子在不同气压下的时空动力学演化行为。实验结果发现,随着环境气压升高,从0.1 mbar开始出现了两个截然不同的过程:“快过程”（<50 ns）和“慢过程”（>100 ns）。“快过程”对应激光烧蚀过程中产生的“瞬态电子”对环境气体的碰撞激发和电离的辐射;“慢过程”对应激光烧蚀产生的主等离子体的形成和扩张。在0.1 mbar到大气压范围内,激光诱导W等离子体产生的“瞬态电子”能量可超过20 eV。利用时空分辨光谱和快速成像技术,细致研究了纳秒激光诱导W等离子体中“瞬态电子”、一价离子和原子以及等离子体羽的时空演化动力学过程。研究发现10 mbar下,激光诱导W等离子体过程呈现四个时间尺度:瞬态电子发射、连续辐射、离子辐射和原子辐射,对应时间尺度分别为1-20 ns,10-100 ns,50-1000 ns和100-2000 ns。发现了“瞬态电子”的半球状分布特征以及“瞬态电子”和离子之间的空间分离现象,证明靶材表面烧蚀区域附近“瞬态等离子体鞘层”的存在。第五章,采用光谱和质谱方法对激光诱导高Z材料W和Mo等离子体中原子、一价离子和多电荷态离子开展了详细的诊断研究。重点利用飞行时间质谱研究了激光烧蚀等离子体中多电荷态离子的动力学特性。系统地研究了不同激光功率密度下多电荷离子的电荷态分布,时间演化以及多电荷态离子的空间分布,多电荷态离子的速度和能量分布。对多电荷态离子的产生机理,离子加速机制进行了探讨。结果表明纳秒激光烧蚀高Z材料,诱导产生的W和Mo等离子体中不仅存在原子和一价离子,还存在多电荷态离子,价态可高达7价。多电荷态离子的时间演化遵循Shifted-Maxwell Boltzmann（SMB）分布。多电荷态离子在膨胀过程中的速度与电荷态呈正相关,即电荷态越高速度越快。随着激光功率密度的增加,出现的电荷态数目随之增加,离子速度和能量也不断升高,并且每个电荷态离子的出现对应不同的激光功率密度阂值,并发现激光功率密度增加时,离子能量饱和现象。发现多电荷态离子的产生是由于在激光等离子体相互作用过程中等离子体屏蔽和吸收引起的逐步电离过程。多电荷态离子的加速机制归因于激光烧蚀过程中“瞬态等离子体鞘层”的加速作用。基于Saha电离平衡方程,推测在激光功率密度为10GW/Cm2时候等离子体从开始到百纳秒内时间范围,电子密度从约1021 Cm-3迅速下降到1018cm-3,电子温度从约12eV迅速下降到2eV。

论文目录

摘要

Abstract

主要符号表

专业词汇缩写表

1 绪论

1.1 磁约束核聚变简介

1.2 等离子体与壁材料相互作用

1.3 在线原位激光光谱技术诊断壁材料研究进展

1.4 在线原位LIBS诊断壁材料技术瓶颈

1.5 本文主要研究动机与内容

2 激光诱导等离子体光谱辐射特性研究

2.1 激光烧蚀和等离子体形成

2.1.1 激光与靶材相互作用

2.1.2 能量的转移驰豫

2.1.3 相变的发生

2.1.4 等离子体形成

2.1.5 等离子体屏蔽

2.1.6 等离子体膨胀冷却和相爆炸

2.2 激光诱导等离子体光谱辐射特性

2.2.1 连续谱辐射

2.2.2 分立谱辐射

2.2.3 光谱辐射时间演化特性

2.3 等离子体参数

2.3.1 电子密度

2.3.2 电子温度

2.3.3 电离率

2.4 真空下激光诱导钨等离子体光谱辐射特性诊断研究

2.4.1 激光诱导等离子体诊断实验装置

2.4.2 W等离子体发射光谱时间演化规律

2.4.3 W等离子体发射光谱电子温度的演化规律

2.4.4 W等离子体电子密度的演化规律

2.4.5 W等离子体电离率时间演化规律

2.5 本章小结

3 环境气压和磁场下激光诱导等离子体光谱特性和动力学演化

3.1 引言

3.2 环境气压对激光诱导W等离子体光谱和等离子体羽辉的影响

3.2.1 不同气压的激光诱导等离子体诊断实验装置

3.2.2 不同气压下W等离子体发射光谱

3.2.3 光谱信号质量随气压的变化

3.2.4 不同气压下电子密度和电子温度的时间演化

3.2.5 不同气压下等离子体羽图像随时间演化

3.2.6 等离子体膨胀模型

3.3 真空下磁场对激光诱导W等离子体光谱特性和动力学影响研究

3.3.1 真空环境下磁场对激光诱导等离子体影响实验装置

3.3.2 磁场对W等离子体辐射光谱信号强度的影响

3.3.3 电子温度和电子密度

3.3.4 W等离子体发射光谱有无磁场条件下空间分辨的时间演化

3.3.5 激光诱导W等离子体的时间演化图像

3.3.6 激发态离子、原子和等离子体羽速度

3.4 本章小结

4 激光烧蚀W等离子体中瞬态电子、离子和原子动力学演化诊断

4.1 引言

4.2 激光诱导W等离子体瞬态电子诊断实验装置

4.3 激光诱导W等离子体时间分辨光谱

4.4 激光诱导W等离子体快速成像和空间分辨光谱

4.5 等离子体羽和不同物种的时间-空间二维演化

4.6 不同气压激光烧蚀W等离子体物种时间演化

4.7 电子、离子和原子的时空演化

4.8 不同气压下W等离子体羽演化时间图像

4.9 不同激光功率密度下等离子体羽演化

4.10 本章小结

5 激光烧蚀高Z金属等离子体多电荷态物种质谱诊断研究

5.1 激光烧蚀W等离子体质谱光谱联合诊断研究

5.1.1 引言

5.1.2 激光诱导击穿光谱和飞行时间质谱联合实验装置

5.1.3 飞行时间质谱数据采集和控制平台

5.1.4 激光诱导等离子体光谱和质谱

n+粒子分布'> 5.1.5 等离子体中Wⁿ⁺粒子分布

n+粒子时间演化'> 5.1.6 等离子体中Wⁿ⁺粒子时间演化

n+粒子速度'> 5.1.7 等离子体中Wⁿ⁺粒子速度

5.2 激光诱导Mo等离子体多电荷态离子实验研究

5.2.1 反射式激光烧蚀飞行时间质谱实验装置

n+离子分布的时间分辨质谱'> 5.2.2 Moⁿ⁺离子分布的时间分辨质谱

n+离子分布和时间演化'> 5.2.3 不同激光功率密度下的Moⁿ⁺离子分布和时间演化

n+速度和平动能与激光功率密度和电荷态的关系'> 5.2.4 Moⁿ⁺速度和平动能与激光功率密度和电荷态的关系

5.3 激光诱导W等离子体多电荷态离子时空演化诊断研究

5.3.1 引言

5.3.2 激光烧蚀飞行时间质谱实验装置和参数设置

5.3.3 W等离子体多电荷态离子分布的时间演化

5.3.4 不同位置W离子电荷态分布和时间演化

n+速度与电荷态和位置关系'> 5.3.5 Wⁿ⁺速度与电荷态和位置关系

5.3.6 电子温度和电子密度的时间演化

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

政谢

作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 吴鼎

导师: 丁洪斌

关键词: 激光诱导击穿光谱,飞行时间质谱,瞬态电子,瞬态等离子体鞘层,多电荷态离子

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,核科学技术

单位: 大连理工大学

分类号: TL631.24;O53

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