【摘 要】
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目前受控热核聚变能被认为是能够有效解决人类未来能源需求的清洁新能源,燃烧等离子体、托卡马克聚变堆工程技术、聚变堆各类材料是影响托卡马克聚变堆走向产业化应用的三个主要方面。在磁约束热核聚变装置中,面向等离子体部件的表面材料会与等离子体发生作用,形成杂质进入等离子体,杂质辐射对高参数等离子体稳定运行产生重要影响。前期大多数中大型托卡马克实验装置均使用碳瓦作为第一壁和偏滤器靶板表面材料,在未来托卡马克聚
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目前受控热核聚变能被认为是能够有效解决人类未来能源需求的清洁新能源,燃烧等离子体、托卡马克聚变堆工程技术、聚变堆各类材料是影响托卡马克聚变堆走向产业化应用的三个主要方面。在磁约束热核聚变装置中,面向等离子体部件的表面材料会与等离子体发生作用,形成杂质进入等离子体,杂质辐射对高参数等离子体稳定运行产生重要影响。前期大多数中大型托卡马克实验装置均使用碳瓦作为第一壁和偏滤器靶板表面材料,在未来托卡马克聚变堆中,由于碳瓦的较高氚滞留特性影响聚变堆安全而难以继续使用。钨具有熔点高、导热性好、溅射能量阈值高、氚滞留率低等特性,被认为是未来托卡马克聚变堆首选面向等离子体材料。但是钨是高原子序数材料（Z=74）,在聚变等离子体中容忍性较低。钨杂质进入聚变等离子体中会产生较大能量辐射损失,降低加热效率和能量约束,严重时会导致等离子体破裂。作为碳材料的金刚石是世界上最硬的材料之一,具有物理溅射率低,化学惰性强,热学性能优异等特点。在托卡马克聚变堆认可的钨材料表面沉积金刚石薄膜作为面对等离子体的材料,其厚度约为碳瓦的十分之一,有望在满足托卡马克聚变堆工程材料性能要求的同时提高聚变等离子体对杂质的容忍度和减小氚滞留。在托卡马克聚变堆面向等离子体的材料中,Mono-block穿管钨块部件是要承受最大等离子体热流的偏滤器靶板部件,本论文选取Mono-block穿管钨块作为基底,采用新型微波等离子体化学气相沉积（Microwave plasma chemical vapor deposition,MPCVD）装置,在钨块面向等离子体一侧表面进行金刚石薄膜的制备,并研究制备过程中低温等离子体物理。论文主要工作及创新点如下:（1）针对目前常用面向等离子体材料选择（钨、石墨、碳纤维复合材料（CFC））在磁约束热核聚变装置应用的缺陷,本论文提出在钨基底表面制备金刚石/钨复合材料应用于面向等离子体材料的新观点。（2）根据Mono-block穿管钨块尺寸采用新型石英管MPCVD谐振腔进行金刚石/钨复合材料制备,研究谐振腔加入上基片台对电场强度和等离子体物理参数的影响。COMSOL Multiphysics有限元模拟计算结果表明,相比于传统谐振腔,优化后的新型谐振腔中电场和等离子体电子密度更加集中在两个基片台中间区域,且强度更高。发射光谱（OES）法诊断结果表明在氢等离子体中,新型谐振腔具有更高更集中的氢与含碳基团密度,而在等离子体放电边缘处低于传统谐振腔,上基片台的加入可以使等离子体放电区域更加集中和聚芯,对石英外罩的保护起到有利影响。为在Mono-block穿管钨块表面安全高效且长时间制备金刚石/钨复合材料提供新型的研究平台。（3）采用ANSYS workbench有限元模拟及实验表征方法,对金刚石/钨复合材料的应力进行研究。随着金刚石膜厚的增加,金刚石薄膜整体的最大主应力与最大剪切应力呈现出先降低后上升的趋势,最低值在膜厚为75-100μm处,同时薄膜边角处具有应力最大的变化趋势,容易出现开裂现象。对制备得到的样品进行Raman表征对比发现,103.568±0.5 μm厚度的金刚石薄膜具有最小的总应力,为在托卡马克装置面向等离子体部件表面应用提供应力研究基础。（4）在不引入其他元素杂质前提下,提出使用过渡层颗粒喷砂以及金刚石微粉喷砂方式提高金刚石薄膜与钨基底之间附着力。首先WC颗粒对Mono-block穿管钨块表面进行喷砂预处理,表面呈现无规则的凹痕坑,粗糙度明显增加,部分受损的WC颗粒已经镶嵌在粗糙表面内,对钨基材到金刚石碳材料的过渡起到粘结作用,金刚石与Mono-block穿管钨块之间的附着力也相应提高。在WC颗粒喷砂基础上继续使用金刚石微粉喷砂,金刚石微粉的喷砂处理会降低原本WC颗粒喷砂表面的粗糙度,但是金刚石沉积由异质外延变为同质外延生长,对金刚石薄膜与钨基底的附着力起到增强作用。（5）针对金刚石/钨复合材料在聚变装置的应用,对样品的聚变相关性能进行初步探索测试。采用电化学氢渗透和热脱附谱（TDS）测试方法,对金刚石/钨复合材料的氢渗透和滞留行为进行测试。结果表明,所制备金刚石薄膜的氢渗透率和滞留率略高于钨材料,且远低于石墨材料。将石墨、钨和制备得到的金刚石进行氘等离子体辐照测试,石墨经过辐照后表面出现大面积溅射损伤;钨材料辐照后表面出现局部微小裂缝和凹坑,整体保持完整;作为石墨同素异性体的金刚石则表现出辐照后的部分石墨化,表面未出现被溅射迹象。对制备得到的金刚石/钨复合材料进行高热负荷疲劳测试,在6.3MW/m2进行50次电子束循环辐照,金刚石薄膜未出现剥离与断裂。
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