本发明专利技术公开了一种测量托卡马克第一壁材料表面氘或氚滞留二维分布方法，用于磁约束聚变装置的第一壁材料表面的氘（氚）元素滞留特性的研究，得到壁材料表面微小区域的氘（氚）元素的二维分布。其特征在于用两束高功率可调谐脉冲激光分别共振解离C-H、C-D化学键（解吸附）和共振电离H、D原子，高效率的产生H+、D+离子，用飞行时间质谱对氘（氚）离子进行检测。用显微镜/摄像机系统观察被测样品区域，用精密二维电动平台实现样品二维分析，本发明专利技术可高灵敏，高分辨、快速高效的测量氘（氢、氚）元素在第一壁材料表面的分布情况，为细致研究氘（氚）表面滞留特性提供依据。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及用于诊断磁约束聚变装置中第一壁材料(石墨或碳纤维)表面的氘 (氚)滞留特性的技术。
技术介绍
聚变能源是一种清洁能源，也是解决人类能源危机的根本途径。磁约束聚变装置 (托卡马克)等离子体与第一壁材料相互作用是受控磁约束聚变技术的关键问题之一。第一壁材料表面在等离子体辐照下，将发生物理溅射、化学腐蚀、结构损伤、氘(氚)的滞留等复杂现象。石墨(或碳纤维)由于具有原子序数低，熔点高(4043°C)，导热性能好，中子吸收截面小，在高温时(<2500°C )仍能保持其机械强度，并且在高温下直接升华而不熔融，有着很好的抗热冲击和较好的真空性能等优点，所以能承受托卡马克装置中异常事件带来的影响，已成为目前聚变装置壁材料的首选材料之一。然而碳材料容易吸附氢同位素(氘、氚)， 形成氘(氚)滞留现象，氘(氚)的滞留现象是由于在聚变堆运行过程中，等离子体中部分高速运动的氘(氚)离子通过电荷交换，变成中性粒子，逃脱磁场约束注入到面向等离子体材料中，这些粒子会在第一壁材料(石墨或碳纤维)内扩散、滞留。其中滞留的氘(氚)很容易在第一壁材料内积累形成高的氘(氚)滞留量。大量氘(氚)元素在壁上的长期累积和释放，将影响到等离子体密度控制以及聚变等离子体的燃料效率，进而影响到托卡马克聚变装置的粒子和能量约束。此外，由于氚具有放射性，氚的滞留会对周围工作人员造成放射性危害， 灰尘中滞留的氚也可能产生爆炸等安全隐患。因此，氘(氚)在偏滤器和等离子体壁材料的滞留与去除，是决定该材料能否在氘-氚(D-T)聚变装置上应用的决定因素。目前，对第一壁材料表面的氘(氚)滞留特性分布研究十分困难，热解吸附质谱方法，虽然能准确定量测得滞留物质的密度，但这种方法只能对滞留物质的分子进行测量，无法直接测量氘(氚)元素。空间分辨仅靠切割样品逐一测量来实现，分辨率低( mm)，耗时长。且在切割样品时，容易造成污染，影响测量结果。有关灵敏测量第一壁材料表面微小区域的氘(氚)二维分布的研究，目前还没有报道。所以找到一种有效的，快速、灵敏、高分辨的测量第一壁材料表面的氘(氚)滞留特性分布的方法，对聚变能源技术的发展，尤为重要。飞行时间质谱(TOF)方法是质谱分析方法中速度最快的一种类型，能在几十微秒时间内给出质谱全图。它以分析速度快、无质量限制、灵敏度高、结构简单等优点得到了广泛的应用，可用来对壁材料表面的杂质特性进行研究。但采用传统飞行时间质谱方法，取样面积大，无空间分辨，无法直接对壁材料表面的氘(氚)滞留分布特性进行诊断。飞行时间质谱方法与激光微探针技术结合，形成激光微探针质谱分析技术，是进行微区分析的一种有效方法，此方法样品的用量少，分析快速，灵敏度高(绝对检测限达 10_2° I(T18g)，质量分辨率好(m/Am=IOOO),空间分辨率高(0.5 μ m)。可测定元素周期表上所有元素，对无机和有机(包括生物的)样品中微区的组分、结构、形态以及同位素等都能分析。与传统热解吸附飞行时间质谱方法相比，激光微探针质谱分析方法具有样品用量4少，空间分辨率高，测量精度高，可以得到物种二维(或三维)分布等特点。但是，传统的激光探针是以激光诱导等离子体中的离子为探测对象的，这种方法通常采用单一波长激光非共振烧蚀解离样品，激光脉冲的前一部分对样品进行非共振烧蚀熔化，产生原子和颗粒，激光脉冲的后一部分使样品进一步离子化，此时激光与原子、颗粒进一步作用，其中的物理过程十分复杂。它包括原子的激发和电离，电子与离子的复合，电子与原子、离子间的碰撞等。在非共振激光烧蚀过程中，原子的激发和原子的电离不具有选择性，它与光子的能量密切相关，因此在此条件下产生的等离子体是以热效应为主，而离子在激光烧蚀产生的等离子体中所占的比例很小，电离的效率较低(10_2_10_3)，且存在严重的基体效应，因而探测灵敏度和空间分辨率较低。激光共振解吸附技术是指用波长可调谐的激光取代固定波长输出的激光，并将激光输出波长选择到与所研究的化合物的化学键解吸附能共振波长上，激光单次脉冲的能量实现对吸附物中特定化学键共振解吸附，从而有选择性地增加了某种特定元素气相原子的产额。由于第一壁材料表面滞留的氘(氚)除物理吸附(吸附能对应于红外激光波长)外，主要是化学吸附，形成碳-氘(C-D)(碳-氚(C-T))键(吸附能对应于紫外激光波长)等， 调谐激光波长与吸附能共振，可以选择性打断C-D (C-T)化学键，大大提高解吸效率，减少基体效应。激光共振电离技术是指用波长可调谐的激光取代固定波长输出的激光，并调节激光波长与研究的样品中原子或分子的电离能共振，实现对原子(分子)的共振电离，从而有选择性地高效增强某种特定元素离子产额。
技术实现思路
本专利技术的目的提供一种测量磁约束聚变装置中第一壁材料(石墨或碳纤维)表面的氘(氚)滞留分布特性的方法，准确得到氘(氚)等杂质在壁材料中的二维(三维)分布，通过共振解吸和共振电离方法大大提高了灵敏度，并具有较好的空间分辨率。本专利技术采用的技术方案提供，包括以下步骤第一步用聚焦激光共振解吸附托卡马克第一壁材料表面滞留的氘或氚元素，形成气相氘或氚原子。第二步用激光共振电离气相氘或氚原子，产生氘或氚离子。第三步用飞行时间质谱仪探测，得到氘或氚元素在材料表面的二维分布。其中，所述聚焦激光共振方法具体是解吸附激光通过显微镜聚焦系统，聚焦于样品表面，聚焦光斑直径1-10 μ m，电离激光聚焦于表面上方，光斑直径在0. 1-lmm。其中，所述激光共振电离方法是用H、D、T原子电离能对应的激光波长在 91. 1-91. 2nm附近，作用于样品表面上方高度在l_5mm内。其中，第一步包括以下子步骤首先，调节激光系统发出解吸附化学键C-H或C-D所需的357nm或352nm脉冲激光。其次，脉冲激光经过一个可见光通过、紫外光反射的分束镜反射后，通过石英玻璃窗口进入真空室内，经显微镜聚焦系统聚焦于样品表面。最后，调节聚焦透镜组位置，使光斑直径1-10 μ m，使样品表面聚焦处大量的氘或5氚元素共振解吸附，形成气相的氘或氚原子并扩散至焦点附近l_5mm范围内。其中，所述第二步包括以下子步骤首先，调节可调谐光学参量振荡器OPO激光IOb入射激光波长(02为337. 56-338. 92nm。其次，入射激光经棱镜反射后，被分束镜反射，与波长ω =249. 55nm的染料激光 IOa同时经石英玻璃窗口进入真空室内。最后，进入真空室后，先通过透镜聚焦，后经过一 Xe射流-四波混频(2 ω ^ ω 2)系统，Xe气射流由脉冲阀喷出，两束脉冲激光同时经过Xe射流，混频后输出的真空紫外激光波长为电离氘或氚原子所需的共振波长91. 1-91. 2nm，聚焦于样品表面解吸附激光焦点上方l_5mm处，焦点正好位于解吸附激光作用后产生的气相的氘或氚原子团内，使气相中的氘或氚原子共振电离，形成大量氘或氚离子。其中，所述第三步包括以下子步骤首先，氘或氚离子在极板15a与极板1 之间的引出场产生，进入极板15b与极板15d 之间的加速场加速至无场漂移区，在加速场与无场漂移区之间，用两对垂直的平行电极极板16a、16b，控制氘或氚离子飞行的X、Y方向。然后，当被检测的氘或氚离子接近微通道板MCP时，氘或氚离子被极板吸引并加速本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种测量托卡马克第一壁表面氘或氚滞留空间分布方法，包括以下步骤：步骤Ｓ１００：用聚焦激光共振解吸附托卡马克第一壁材料表面滞留的氘或氚元素，形成气相氘或氚原子；步骤Ｓ２００：用激光共振电离气相氘或氚原子，产生氘或氚离子；步骤Ｓ３００：用飞行时间质谱仪探测，得到氘或氚元素在材料表面的二维分布。
【技术特征摘要】
1.一种测量托卡马克第一壁表面氘或氚滞留空间分布方法，包括以下步骤步骤SlOO 用聚焦激光共振解吸附托卡马克第一壁材料表面滞留的氘或氚元素，形成气相氘或氚原子；步骤S200 用激光共振电离气相氘或氚原子，产生氘或氚离子；步骤S300 用飞行时间质谱仪探测，得到氘或氚元素在材料表面的二维分布。2.根据权利要求1所述的测量托卡马克第一壁表面氘或氚滞留空间分布方法，其特征在于，所述聚焦激光共振方法具体是解吸附激光通过显微镜聚焦系统，聚焦于样品表面，聚焦光斑直径1-10 μ m,电离激光聚焦于表面上方，光斑直径在0. l_lmm。3.根据权利要求1所述的测量托卡马克第一壁表面氘或氚滞留空间分布方法，其特征在于，所述激光共振电离方法是用H、D、T原子电离能对应的激光波长91. 1-91. 2nm，作用于样品表面上方高度在l_5mm内。4.根据权利要求1所述的测量托卡马克第一壁表面氘或氚滞留空间分布方法，其特征在于，所述步骤SlOO包括以下子步骤步骤SllO 调节激光系统(8)发出解吸附化学键C-H或C-D所需的357nm或352nm脉冲激光；步骤S120 脉冲激光经过一个可见光通过、紫外光反射的分束镜a (5)反射后，通过石英玻璃窗口 a (9)进入真空室(4)内，经显微镜聚焦系统(6)聚焦于样品表面；步骤S130 调节聚焦透镜组(6)位置，使光斑直径1-10 μ m,使样品表面聚焦处大量的氘或氚元素共振解吸附，形成气相的氘或氚原子并扩散至焦点附近l_5mm范围内。5.根据权利要求1所述的测量托卡马克第一壁表面氘或氚滞留空间分布方法，其特征在于，所述步骤S200包括以下子步骤步骤S210 调节可调谐光学参量振荡器OPO激光(IOb)入射激光波长ω2为 337. 56-338. 92nm ；步骤S220:入射激光经棱镜反射后，被分束镜b (11)反射，与波长《^249.55^1的染料激光(IOa)同时经石英玻璃窗口 b (12)进入真空室(4)内；步骤S230 进入真空室(4)后，先通过透镜(13)聚焦，后经过一 Xe射流-四波混频 (2 ω 1+ ω 2)系统，Xe气射流由脉冲阀(14)喷出，两束脉冲激光同时经过Xe射流，混频后输出的真空紫外激光波长为电离氘或...
【专利技术属性】
技术研发人员：丁洪斌，李聪，肖青梅，海然，张磊，吴兴伟，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91
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