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5N高纯氩 核聚变托卡马克壁处理与等离子体诊断

2026-09-09 1297

EAST全超导托卡马克的实验间隙,第一壁需要做一次彻底的清洗。装置停机后,真空室里还残留着上一轮放电沉积的杂质和吸附气体,这些东西如果不清除,下一轮等离子体的能量约束会直接掉一个档次。壁处理的手段有好几种,烘烤、放电清洗、硼化镀膜,其中辉光放电清洗用的工作气体就是高纯氩。氩离子在电场下轰击第一壁表面,把吸附的水分子和碳氢化合物以及金属微粒溅射下来,再被真空抽气系统抽走。氩气因为原子量大、化学惰性好,溅射效率比氦气高,又不会像氢气那样和壁材料发生化学反应。

5N高纯氩 核聚变托卡马克壁处理与等离子体诊断

辉光放电壁清洗通常在室温到300摄氏度的壁温下进行,氩气气压维持在0.1到1Pa之间,放电功率几百瓦到几千瓦不等。一次完整的GDC清洗要持续十几个小时,期间用残余气体分析仪实时监控真空室的本底气压和杂质成分。氩气的纯度要求在5N以上,也就是99.999%,水分和氧以及氮的杂质总量要小于1ppm。如果氩气里带了水分,清洗过程反而会把水送到壁面上,等于做了反向操作。硼化镀膜是另一种壁处理手段,用硼烷或十硼烷在第一壁沉积一层硼膜,抑制碳和氧的再循环,但镀膜用的前驱体气体毒性大,操作安全要求比氩气GDC高得多。

氩气在核聚变装置里还有另一个用途,等离子体诊断的示踪气体。研究人员会在特定时刻向真空室注入微量氩气,通过光谱诊断观测氩离子的特征谱线,推算等离子体的电子温度和密度分布。EAST在2026年1月发表于科学进展的成果中,证实了托卡马克中存在密度自由区,这类实验的杂质输运研究就用到了氩气示踪。示踪用氩的注入量精确到标准毫升每分钟级别,纯度不够会引入额外杂质谱线干扰诊断结果。氩离子的电荷交换复合光谱也是测量等离子体旋转速度的重要手段,对氩气的同位素纯度有额外要求。

ITER的GDC系统由中方团队负责电极制造,这套系统要在ITER的第一壁上安装数百个辉光放电电极,覆盖真空室的主要内表面。电极的供电和供气管路都要在超高真空环境下工作,氩气供气系统的泄漏率要求极其严格。壁处理完成后,真空室要抽到超高真空,本底气压达到1e-6 Pa量级才能开始下一轮实验。从氩气钢瓶到电极喷嘴的管路全程用超高真空级不锈钢,所有焊缝做氦检漏。EAST近几年对壁处理系统做了升级,增加了电极数量和分区控制能力,可以针对真空室不同区域做定向清洗,缩短整体处理时间。

采购核聚变装置用的高纯氩,除了纯度证书还要关注钢瓶处理。普通5N氩钢瓶内壁可能有微量油脂和金属颗粒,用于超高真空系统前需要做钢瓶抽真空烘烤处理。有些用户要求供方提供经过真空脱气处理的专用钢瓶,瓶阀用隔膜阀。管束车供应适合用量大的装置,EAST一轮实验季的氩气用量在几十到上百瓶之间。供气合同里最好写明批次检测的具体指标,H2O和O2以及N2和THC四项分别列出限值,而不是只给一个总纯度数字。钢瓶接入真空系统前要用旁路管路先吹扫半小时,确认出口露点和氧含量达标后再切入主管路。

纽瑞德气体是专业特种气体服务商,主营高纯稀有气体、电子特气、标准混合气、同位素气体,包含氦气、氖气、氙气、六氟化硫等,纯度可达 5N 以上。配备专业检测设备,支持定制配气,可提供充装、危化品配送与技术支持。产品服务半导体、电力、光纤、航天科研等行业,为高端制造提供可靠特种气体配套。致电:17764012828

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