抓住偶然事件，实现技术突破

抓住偶然事件，实现技术突破

作者：赵燕平日期：2002-7-4

赵燕平，男，中科院等离子体所研究员、博士生导师，1982年毕业于南开大学物理系，同年考入中国科学院等离子体物理研究所研究生获理学硕士学位。1991-1995年赴比利时留学，获物理学、计算机学双硕士学位。主要从事高功率离子回旋共振加热方面的研究工作。在他主持和领导下，不仅为HT－7建造了国内最大的稳态离子回旋加热系统，为世界上最大的螺旋装置LHD建造了射频加热波形控制系统，还创建了射频壁处理技术。射频壁处理技术应用于HT－7第一壁清洗，不仅提高了效率，节约了时间和经费，而且为获得高纯净度高品质的等离子体奠定了基础。这一原创性的具有我国自主知识产权的技术不仅远远优于目前国际上常规的直流辉光清洗技术，而且可以直接用于未来超导聚变反应堆的第一壁处理，开创了一个全新的研究领域，为未来聚变反应堆的应用作出了贡献。两次应邀在国际大会上作特邀报告，产生了重要的国际影响，获中科院科技进步二等奖和国家三项发明专利。

   1997年下半年，ＨＴ－７超导托卡马克自建成以来已进行了数轮物理实验，取得了一些令人满意的实验结果。但是随着物理实验的深入进行，物理实验与超导托卡马克第一壁处理的矛盾越来越突出，由于壁处理要占用大量时间，使得许多实验课题不能按时在装置上进行。

托卡马克实验有一个特点，就是要得到好的实验结果必须保持装置第一壁有良好的工作状态，即保持装置第一壁始终处于“清洁”状态。为此在托卡马克上，实验进行一段时间后，必须要将实验停下来，对第一壁进行必要的处理之后才能继续进行实验。对于常规托卡马克来说，经过长时间的探索，人们已发展了一套基于直流辉光的第一壁处理手段，即辉光清洗、硼化、硅化和锂化。当时在ＨＴ－７超导托卡马克实验中也采取了这一传统的第一壁处理手段。由于超导托卡马克与常规托卡马克最大的不同在于超导托卡马克存在一个恒定磁场，这一磁场的存在使得直流辉光不可能在超导托卡马克上进行，不能使装置中的中性气体电离，达不到清洗目的。所以，在超导托卡马克上进行直流辉光的第一壁处理时必须将这一恒定磁场去除，这就使得每一次做第一壁处理时都要花大量的时间去升降磁场。以ＨＴ－７超导托卡马克实验为例：每进行一次有效的直流辉光清洗需要８—１０小时，而直流辉光硼化或硅化则需要２－３天的时间才能使实验恢复高质量的物理实验。实验中每天至少要进行一次直流辉光清洗，一星期要进行一次直流辉光硼化或硅化。这样大量宝贵的时间都用在第一壁的处理上了。是否可以减少第一壁处理的时间呢？经过数次试验，答案是否定的，因为没有有效的壁处理就不可能得到好的实验结果。

超导托卡马克的恒定磁场使得直流辉光的第一壁处理手段使用起来极不方便，如何改进它成了我们当时考虑的一个问题。一次偶然的事件给了我们一个启发。在一次实验中，偶然的误触发导致射频波在没有等离子体的情况下注入进到装置中，数据分析显示射频波已将装置中的中性气体电离。此次事件给我们的启发是：射频波由于超导托卡马克存在一个恒定磁场，其内部存在离子和电子的回旋共振层，这些回旋共振层的存在使得射频波很容易将装置内的中性气体击穿，产生气体电离。马上我们由此想到能否利用现有的离子回旋共振加热系统所产生的射频击穿真空室内的中性气体来替代直流辉光来进行超导托卡马克第一壁处理。如果此方法可行，当我们在实验中需要做第一壁处理时，就不需要花很多时间来升降超导托卡马克的恒定磁场。想法归想法，真正要实现还需要做很多相关的工作。首先要对现有的离子回旋共振加热系统进行改造，使其既可用于物理实验中的离子回旋共振加热实验，又可用于将来的超导托卡马克的第一壁处理中；另外还须找出射频击穿气体的运行窗口，比如多大的射频功率、频率、磁场大小、充气气压等可以使中性气体有效电离。经过一系列的试验终于确定了适合于ＨＴ－７超导托卡马克的射频气体击穿的运行窗口。接下来所要做的事情就是一系列的比对试验，用于确定最佳的清洗效果。终于自１９９７年底在ＨＴ－７装置上首次将射频清洗作为超导托卡马克的常规清洗手段。这也是国际首创，它与直流辉光清洗相比具有以下突出特点：１、 不需退磁场,节省了大量升降磁场的时间；２、省时，整个清洗过程少于１小时；３、清洗效率高,对被壁吸附离子去除率高；4、成膜均匀性、致密性好,吸附力强,寿命长。正是由于射频壁处理的使用，ＨＴ－７的物理实验每天十几小时变为二十四小时全天候进行，大大提高了实验效率，也为国家节约了大量的运行经费。

超导托卡马克的射频清洗投入使用后，我们又进行射频硼化、硅化和锂化等方面的研究工作。形成了一系列基于射频波的超导托卡马克第一壁处理技术。这些技术的发展不仅大大提高了实验效率，同时也为获得高参数、高品质的等离子体奠定了基础。这些原创的具有我国自主知识产权的技术不仅远远优于目前国际上常规的直流辉光技术，而且可以直接用于未来超导聚变反应堆壁处理。在此基础上，我们对射频等离子体的性质、机理进行了细致地测量、分析和数值模拟，使之成为一个全新的研究领域。这项研究成果在国际上产生了重要影响，两次应邀在国际大会上作特邀报告。德国、法国开始采用我们这项技术并进行初步实验。日本大型超导螺旋装置LHD已将我们提出的射频硼化建议纳入未来实验计划。ITER将我们这项技术纳入未来的实验数据库。

作者：赵燕平(研究室主任、研究员、博导)