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诚峰智造:等离子体和表面的相互作用

等离子体和表面的相互作用,例如溅射,已发现了一个世纪以上,但只有这一领域和受控热核聚变研究相结合,才得到迅速发展。在受控热核聚变研究的早期阶段,就已发现并研究了单极弧、气体循环等现象。但当时等离子体参量比较低,这些研究并未引起足够的重视。

  20世纪70年代,由于受控热核聚变、特别是托卡马克的进展,逐渐认识到杂质问题的重要性,对这一课题投入越来越多的工作,发展成为受控热核聚变研究的一个分支。因此,作为一个研究领域,等离子体和表面的相互作用主要指受控热核聚变装置中的高温等离子体和表面的相互作用。

  等离子体和表面相互作用是一个边缘研究领域,它和等离子体物理、表面物理、等离子体化学、原子物理、分子物理等学科都存在密切的关系。

       由于等离子体可以划分为低温等离子体和高温等离子体,等离子体和表面的相互作用也可划分为两个方面。

  低温等离子体和表面的相互作用主要发生在等离子体切割、焊接、冶炼和表面处理,磁流体发电机的器壁和电极,以及当运载火箭通过大气层时在火箭外壳表面形成的等离子体和外壳之间,等等。这种等离子体的温度约为103~104K,密度较高,压强接近一大气压。

  高温等离子体和表面的相互作用主要发生在受控热核聚变的实验装置,以及未来的聚变反应堆的反应室的第一壁(即等离子体直接照射的固体壁)、偏滤器、孔阑以及磁镜装置的能量直接转换器表面。

  在这些表面附近,也存在着温度比较低的等离子体,即所谓边界层。但在反应室的中心存在着几百万度以至于几千万度、几亿度以上的高温等离子体,从中辐射出高能粒子和各个频段的电磁波。
  在聚变堆中,还有像高能中子以及 α粒子等这样的热核反应产物。这些粒子和辐射到达固体表面,产生各种形式的作用。

  在受控热核聚变实验装置和聚变堆中,这种等离子体和表面的相互作用产生两方面的影响。

  首先,这一相互作用使大量不能参加核反应的杂质离开表面,进入等离子体,造成污染。这不但降低了反应粒子的浓度,而且冷却了等离子体,使反应速率降低,甚至停止。

  其次,这一相互作用对反应室的器壁造成损伤,缩短其使用寿命。因此,必须对这种相互作用过程进行研究和控制。


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