[发明专利]一种等离子体辐照平台

说明书

技术领域

本发明涉及一种等离子体辐照平台，属于等离子体应用技术领域。

背景技术

近几十年来，随着人类社会的飞速发展，对能源的需求也在日益增加，然而可利用能源却越来越少，可控核聚变的实现成为当今世界的研究热点，可控核聚变有两大难题：稳态等离子体问题和反应堆关键材料问题。目前世界上有多个研究小组在开展这方面的研究工作，然而对低温等离子体模拟辐照聚变堆第一壁材料，以及第一壁材料辐照损伤机理等方面却少有研究。这类能够实现模拟聚变堆辐照的装置在国内外也比较少见，装置的用途和搭建手段也各不相同。

使用真正的聚变装置进行辐照实验及材料损伤研究由于周期长，每启动一次需要5年的停顿修整才可以再次实验，装置启动资金巨大，开启一次需要上千万的资金花费，反应后的产物具有辐射性，人类目前对于聚变产物还没有较好的处理方法，只能把反应后的废料深埋，需要经过上亿年的衰变辐射才会消失。这对于人类进行实验研究十分不利。所以需要采用等离子体辐照的方法来模拟聚变反应，实现聚变材料损伤机理的研究。至今为止，利用低气压低温等离子体模拟辐照聚变材料的研究尚少有报道。利用低气压低温等离子体技术进行辐照研究具有十分重要的应用价值。这种辐照方法成本低，设备简单，周期短，无放射性产物生成，同时实验灵活，进行起来比较方便快捷。

发明内容

本发明的目的是基于核聚变装置在实验研究方面的不足，提供一种在低气压条件下产生冷等离子体的实验平台，及其在材料辐照方面的应用方法，本平台结构简单，使用方便灵活，可对不同聚变材料进行辐照以及对辐照后材料进行退火，可通过改变平台条件处理各种聚变材料，半导体材料以及其他材料，实验实现起来比较方便快捷。

本发明提供了一种等离子体辐照平台，所述等离子体辐照平台包括离子源、腔体和激光加热系统，所述离子源密封在腔体内，所述激光加热系统在腔体外，所述离子源包括石英管、缠绕在石英管外壁上的铜管和用于屏蔽射频电场的屏蔽罩，所述石英管和缠绕在石英管外壁上的铜管置于屏蔽罩内，所述石英管上端设有与腔体外连通的进气口，石英管下端设有离子喷射口，所述铜管两端在腔体外与射频电源两端连接，所述屏蔽罩底部设有用于通过等离子体的通孔，所述腔体内设有样品台，样品台位于离子源正下方，样品台正下方设有石英窗，所述石英窗与腔体密封连接，所述激光加热系统包括组合式激光器，组合式激光器固定在石英窗正下方。

本发明所述射频电源功率峰值调节范围为0～600W，反馈功率调节范围为0～200W。

本发明所述进气口优选为设有用于控制气体流量的流量计，所述流量计的一端与进气口密封连接，另一端与放电气体连接，流量计由流量仪控制。

本发明所述石英管内优选为设有用于测量压力的热偶真空计，热偶真空计量程为0.1～1000Pa。

本发明所述腔体优选为设有用于制造腔体真空环境的抽真空系统，所述抽真空系统包括程控真空计、机械泵、分子泵和充气阀，程控真空计与腔体密封连接用于测量腔体真空度，其测量范围为10～10^-5Pa，机械泵用于腔体抽真空时使用，腔体气压低于200Pa时开启分子泵抽真空。

本发明所述腔体优选为设有用于测量样品温度的测温仪，所述测温仪包括红外测温仪和热偶测温仪，红外测温仪测量范围为300～2000℃，红外测温仪用于测量样品温度，热偶测温仪用于校准红外测温仪和测量退火温度。

本发明所述组合式激光器优选为由若干个激光器耦合在一起。

本发明所述样品台优选为设有与样品接触的金属环，所述金属环加载负偏压，所述腔体加载正偏压，所述离子源与所述样品之间形成电场，所述电场可以使等离子体加速辐照在样品表面。

本发明所述激光加热系统优选为包括组合式激光器和准直镜，所述准直镜通过光纤与组合式激光器连接，准直镜固定在石英窗正下方。

本发明所述等离子体辐照平台使用方法为将样品置于样品台，开启抽真空系统，当真空度达到10^-3Pa时，从进气口通入工作气体，所述工作气体为氢气、氦气和氩气中的至少一种，工作气体充满石英管和腔体，开启组合式激光器将样品加热至设定温度，调节射频电源功率，当射频电源功率加至相应的气体电离值时，产生气体等离子体，开启偏压电源，调至实验需要的输出电压值，正离子在外加偏压的作用下被引到样品表面，开始进行辐照。

本发明有益效果为：

①等离子体辐照平台，设备简单，具有成本低廉、实验周期短、实验效率高优点；

②可以根据材料的不同辐照要求，选择不同的辐照条件；