利用自建的單陰極直流弧光放電直線等離子體裝置研究了氬等離子體的穩態熱負荷特性，擬為研究等離子體性質、及其與壁材料相互作用提供一定的參考。研究表明，實驗中產生的氬等離子體熱負荷可達0.5MW/m²，能持續穩定放電5h以上；氬等離子體熱負荷與輸入功率成正比，熱效率隨輸入功率的增加而增大；等離子體熱負荷強烈依賴于磁場和氣體流量，磁場越強、流量越高熱負荷越大；同時，增加氣體流量或增強磁場，均可顯著提高等離子體熱效率。通過測量相同條件下距離陽極等離子體噴口215和430mm處的熱負荷發現，兩處熱負荷相差2倍，表明在軸向上熱負荷與距離成反比。

　　在未來聚變堆中，高熱負荷(極端情況下高達1GW/m²)與壁材料相互作用，除了因開裂和變形影響部件的力學性能外，還會造成壁材料熔化、蒸發以及增強輻照升華效應，產生雜質，研究表明雜質的產生將嚴重惡化堆芯等離子體放電性能，降低正常運行周期。

　　多年來，各國相繼建立了不同的熱負荷裝置，模擬聚變堆中等離子體邊界處的低溫高密度等離子體環境，研究高熱負荷與壁材料相互作用，這些裝置產生熱負荷的方法包括電子束、離子束、等離子體及紅外等加熱等。荷蘭的Pilot-PSI及Magnum-PSI、美國的PISCES 及日本名古屋大學的NAGDIS等利用直線等離子體裝置研究高熱負荷與壁材料相互作用。荷蘭的Magnum-PSI在1.3T的強磁場、放電電流為250A 的條件下可產生12MW/m2 的穩態熱負荷，其上的瞬態熱負荷也可達到1GW/m²，這為利用直線等離子體裝置研究熱負荷性質、模擬聚變堆中壁材料和等離子體相互作用提供了可能。在Pilot-PSI和Magnum-PSI基礎上，Temmerman等研究了氫、氦等離子體的熱負荷特性，給出了等離子體熱負荷的徑向分布，表明等離子體束的熱負荷在徑向上呈高斯分布，且等離子體熱負荷隨放電電流和磁場的增大而增大，表現出了很大的依賴關系；Ezumi等在直線裝置NAGDIS上測量了等離子體轟擊到靶板上的平均熱負荷隨壓強的變化，表明在放電電流為100A，外加磁場為0.25T時，壓強從1.3×10² 增加到7.0×10²Pa時，熱負荷從11減小到1.1kW/m²。

　　為了研究等離子體與壁材料相互作用，本課題組研制了低溫高密度直線等離子體裝置。為了了解裝置中等離子體所攜帶的熱負荷特性，本文通過測量不同輸出功率下氬等離子體在不同磁場、不同流量時的熱負荷，研究了氬等離子體的熱負荷特性，詳細介紹了磁場、氣體流量和輸出功率對氬等離子體熱負荷的影響，并分析了等離子體中熱效率的變化及不同位置處熱負荷的差異。

　　1、實驗裝置及方法

　　圖1為本課題組研制的單陰極直線弧光放電等離子體裝置，包括等離子體源、等離子體輸運腔室、水冷系統、磁場線圈、真空系統及熱負荷測試儀等。等離子體源采用單陰極直流級聯弧光放電，輸入功率最高可達80kW，產生的等離子體效率高，等離子體束穩定。

圖1　直線等離子體裝置示意圖

　　3、結論

　　通過對直線等離子體裝置中氬等離子體熱負荷特性的研究，分析了等離子體熱負荷和熱效率與輸入功率、磁場和流量的關系，得出以下結論：

　　(1)在流量和磁場一定時，隨著輸入功率的增大，熱負荷呈線性逐漸增大，熱效率也逐漸提高；

　　(2)流量越多、磁場越強，等離子體的熱負荷越大，熱效率也越高；

　　(3)不同位置處熱負荷強度不同，離源越近熱負荷越高，在相同條件下距離陽極噴口215和430mm處的熱負荷可相差2倍；

　　(4)在等離子體裝置中，腔室壓強和輸入功率與流量有關，流量越大，壓強越高，輸入功率也越大。