等离子体显示技术论文
等离子体显示技术论文
等离子体显示器(PDP)的出现至今已有很长的历史，但直到1990年代初才突破彩色化、亮度和寿命等关键技术，下面小编给大家分享一些等离子体显示技术论文，大家快来跟小编一起欣赏吧。
等离子体显示技术论文篇一
等离子体显示技术研究现状及其发展趋势
等离子体显示器(PDP)的出现至今已有很长的历史，但直到1990年代初才突破彩色化、亮度和寿命等关键技术，进入彩色PDP的实用化阶段，其亮度均匀、无X射线辐射、抗电磁干扰能力强、对迅速变化的画面响应速度快、视角大、易于实现大画面显示等优点，覆盖了从30in到70in的高分辨率显示领域，是高清晰度电视(HDTV)的主要候选者。 但由于该类显示器功耗大、亮度和光效率低、工作时容易发生像素间串扰、价格昂贵等，目前还难于普及推广到家庭用户。因此，世界上的许多PDP生产厂家，如松下、富士通、LG、Plasma等公司，针对PDP存在的问题，做了许多相应的研究并取得了重大突破。 本文介绍了目前世界各PDP生产公司和研究机构在改进PDP的结构技术、驱动电路技术以及其他应用技术等方面所做的研究和取得的进步，并且根据目前等离子体显示技术存在的问题，对今后PDP的发展趋势进行了探讨。
1等离子显示器
1.1等离子显示器的工作原理
PDP是一种利用气体放电的显示技术，其工作原理与日光灯很相似。它采用了等离子管作为发光元件，通过在管子两端的激励电极上加入电压，使放电空间内的混合惰性气体电离成一种特殊物理状态——电浆状态[1]，同时发生等离子体放电现象。气体等离子体放电产生紫外线，紫外线激发荧光屏，荧光屏见光，发射出可显现出图像。当使用涂有三原色(也
等离子体显示技术研究现状及其发展趋势 1 称三基色)荧光粉的荧光屏时，紫外线激发荧光屏，荧光屏发出的光则呈红、绿、蓝三原色。当每一原色单元实现256级灰度后再进行混色，便实现彩色显示。
1.2 等离子显示器的特点
等离子显示器是采用了近几年来高速发展的等离子平面屏幕技术的新一代显示设备。这种显示器的主要特点是图像真正清晰逼真，在室外及普通居室光线下均可视，可提供在任何环境下的大屏视角，不会因磁场影响产生色彩、几何失真及噪音等优势。具体有以下比较突出的特点：亮度、对比度高;色彩还原性好;显示效果非常出色;纯平面图像无扭曲;超薄设计、超宽视角;具有齐全的输人接口[2]，可接驳市面上几乎所有的信号源;具有良好的防电磁干扰功能;环保无辐射;散热性能好;无噪音困扰。
1.3 等离子显示器的分类
PDP产品根据限制电流的方式或是在放电时所施加的电压形式可简单分为DC型PDP和AC型PDP两种。DC型PDP是以直流(DC)电压启动放电并用电阻来限制放电电流的大小，其结构较复杂，容易在等离子体放电时受到离子碰撞导致损坏及劣化，缩短PDP寿命，很难设计电路并且无法有效控制产品的质量;AC型PDP在放电电极上覆盖有透明介电层与耐离子撞击的保护层，可以利用交流(AC)电压在介电层表面引发放电，其电极上覆盖有保护层耐离子撞击，寿命较DC型长。由于AC型PDP有结构简单、寿命长的优点，因此目前PDP产品是以AC型PDP为主流。
2 等离子体显示技术的研究现状
2.1 PDP结构技术的研究
PDP结构技术的研发工作一直围绕着障壁技术、电极的制造工艺和材料进行。在
AC-PDP器件中，障壁的主要作用有两点：一是保证两块基板间的放电间隙，确保一定的放电空间;二是防止相邻单元间的光点串扰。对障壁几何尺寸的要求是宽度应尽可能窄，以增大单元的开口率，提高器件亮度，同时要求高度一致、形状匀称。障壁的主要制作技术有丝网印刷法、喷沙法，现在又提出并试验成功了许多新工艺，如光敏浆料法、模压法、玻璃原料成型技术、刻蚀研磨法[3]。目前喷沙法是制作障壁的主流技术。障壁的形成是PDP制造中最关键也是最困难的工艺。所以开发工艺简单，材料成本低的障壁制作技术是一项降低PDP成本的有效措施。因此，各PDP制造公司和研究机构对于新型障壁制作方法的研究开发十分积极。PDP的电极也起着举足轻重的作用：透明电极、汇流电极和寻址电极材料的选择和制作工艺由器件对其的光电要求决定，要考虑到导电性、对基板的附着力和保护介质的兼容性，同时又要在工艺满足简易性和经济性。透明电极一般是用ITO制成，为了增强它的导电性，在这上面加做一条金属汇流电极(bus电极)，寻址电极一般是厚膜Ag电极。现在已有研究机构提出了用栅极Cr/Cu/Cr电极结构来代替原来传统的显示电极。
常见的PDP结构有Waffle障壁和T型电极结构、Delta蜂窝状单元及弯曲障壁结构、CSP结构、不等宽结构和CCF(彩色滤光)膜结构。
采用Waffle 障壁结构可扩大荧光体所占比例，提高20%的发光效率。此外，采用T字型透明电极来抑制放电峰值电流，以此来提高发光效率。目前，先锋公司研制的新结构表面放电型的AC-PDP就是采用了Waffle障壁结构和T型电极[4]以及新型绿、蓝荧光粉，并提高放电气体中的氙气含量，使得42英寸PDP的发光效率提高到1.8lm/W，白场峰值亮度提高到900cd/m2，功耗降到380W，但有电极对位和排气上的困难。
富士通公司开发的弯曲障壁AC-PDP的像素结构为像素三角形排列和弯曲形障壁(Meander ribs )结构[5]，即所谓的DelTA(Delta Tri 2colorArrangement)结构。其设计思想是增大荧光粉的涂覆面积，增加单元中的有效发光面积，从而使亮度和光效都得到提高，同时备有一定的排气管道。如像素大小为1.08mm的DelTA结构，亮度为200cd/m2时发光效率可达3lm/W白场峰值高达1000cd/m2，实现了高亮度高光效，并使排气畅通，但是提高了对电极对位精度的要求。
韩国LG 公司提出CSP (charge storage pad)结构[6]，在透明介质层与MgO保护膜之间添加一形状为方形，相互间隔离并与外电路分离、处于浮动状态的透明导电材(ITO)，该导电体可以起屏蔽和增加电容，储藏电荷的作用。同时还可以平抑电流强度，延长放电时间，提高发光效率。又由于浮动状态的CSP块与维持电极相比电压较低，所以电荷被限制在CSP块之间，所以还能起到降低串扰的作用。实验结果表明，CSP与普通结构相比，发光效率提高1.6倍，而且亮度也提高了1.6倍。
Waffle结构和DelTa结构中RGB三色荧光粉都是等宽的，但考虑到在RGB三色荧光粉发光效率不一致，而且衰减也不一致，这就带来色温和色平衡的寿命问题。特别是蓝色荧光粉目前还存在发光效率偏低和衰减较快的问题，所以除了从荧光粉着手外还可以从单元结构入手。
松下公司提出的非对称单元结构，特别扩大了蓝色荧光粉的面积，成功地解决了色温偏低的问题，使色温偏差可以高于10000K，解决了色温和色平衡的问题。但是，这样的结构同时也会带来单元工作电压偏差范围增大的问题。
NEC公司则通过在前基板上添加彩色滤光膜(CCF)的方法来改善屏的色温和对比度，将CCF制作在显示电极(X、Y电极)与介质层之间，并与后基板上配置的三色荧光粉相对应，能扩大彩色再现范围，达到10000K左右的白场色温，提高对比度。
Plasmaco提出的栅型Cr/Cu/Cr电极结构[7]，成功应用于60英寸AC型PDP。位于前基板的每条显示电极(X、Y电极)都由三条很细的Cr/Cu/Cr薄膜电极组成，它们提供了与透明电极类似的较大放电区域和电容。一方面，当一根或二根电极断路时，可以保持导电;另一方面，提高了开口率从而提高了亮度。由于金属Cr较易氧化成黑色，这又可以提高对比度。另外，由于Cr/Cu/Cr电极无须高温工艺，因此可采用普通钠钙硅玻璃，降低了材料成本。但Cr/Cu/Cr电极制造过程也比较复杂，须采用溅射工艺，而且在刻蚀中使用三种不同刻蚀液，须经三次刻蚀，并且存在边蚀等工艺难题。这一结构的商业化生产还处于研究之中。
障壁材料的选择在整个障壁制作中也十分重要，直接关系着障壁的制作工艺的难易和制作成本的高低。普通的丝网印刷采用的是低熔点玻璃粉材料。喷沙法先用耐喷沙的光敏胶或光敏干膜用光刻法制成图形，喷沙时利用障壁材料和光敏胶的选择性刻蚀形成障壁图形，再经去胶和烧结而成。但是这两种方法都存在成本高，成品率低的缺点，因此很多研究机构开始考虑不采用障壁而采用别的方式来重新考虑PDP的结构。
富士通提出了一种新型的PDP结构，采用管径为1mm左右细长的等离子管阵列来代替原有的条状障壁结构。由于显示屏是由这些细小的管子排列而成，屏幕尺寸仅取决于管子的数目，实现大尺寸就不会受到生产设备的限制，即使是生产100英寸的大屏幕也只需要生产单个管子的设备。同时，由于荧光粉涂覆在管内，而管子只有两头与空气接触，灰尘不易进入，就降低了对生产环境无尘的要求。试验表明，该种结构的PDP完全可以采用已有的驱动方式，从整体来说在很大程度上降低了生产的成本。同时，等离子体管的放电间距与放电空间较大，发光的效率较普通的PDP高，但是图像的质量还有待改进。
东南大学发明的一种新型的荫罩式PDP(SM-PDP)结构[8]，不用介质障壁而用金属网罩将各个放电单元隔开，避免了光点串扰。SM-PDP属于对向式表面放电，工作时，上基板的扫描电极、下基板的寻址电极、中间的金属罩各加上一电压。在交变电压的作用下，使气体放电发光。试验表明，金属荫罩作为导体能够影响放电单元中电场的分布，类碗状金属荫罩能更好地将放电粒子集中在放电单元的中心，一方面可以改善离子束的聚焦情况，提高图像的显示质量;另一方面也减小了粒子对金属障壁上荧光粉的轰击，延长了PDP的使用寿命。
2.2 PDP驱动电路技术的研究
对于彩色PDP来说，必须要有驱动电路才能正常的工作。驱动电路无论在技术上还是在价格上都起着举足轻重的作用。一个性能良好的PDP彩色电视，驱动电路占到总成本的70%～80%。因此如何开发出适合彩色PDP的驱动电路也是提高其性能、降低成本的重要因素。
目前常用的驱动技术有ADS驱动技术、ALIS技术、Plasma AI技术、CLEAR技术、AwD技术、斜坡启动驱动技术等。
富士通提出的选址和显示分离技术ADS(Address and Display Separation)采用脉冲个数调制方式来实现不同灰度等级的图像。ADS技术虽然能够实现256级灰度，但是点亮占空比低，对比度不高，峰值亮度难以提高，存在运动图像模糊、伪轮廓、画面闪烁和长时间图像水纹印[9]等现象，导致图像质量不太令人满意。但已有研究表明，可以采用改进的二进制编码法[10]、非二进制编码法和运动补偿的方法来消除伪轮廓，提高图像质量。改进的二进制编码法、非二进制编码法是目前等离子体显示屏所普遍采用的方法，但是这两种方法只是部分的改进了图像的质量;而运动补偿方法从理论上可以消除显示运动图像出现的问题。现在有研究机构提出将运动补偿法与ADS视频驱动模块紧密结合在一起：在研究了人眼观看视频图像时的视觉心理模型后，提出将空间积分的影响加入到人眼的视觉心理过程;并采用将子场和视频帧分离的视频驱动优化方法和基于bit位进行补偿的方法，充分利用PDP子场寻址方式来实现补偿，更进一步的是，将数字信号处理的相关算法引入到PDP显示屏的视频驱动模块中，通过信号处理来提高显示的图像质量，适应了高端显示器件的发展方向。
针对ADS驱动技术存在的问题，富士通又提出了ALIS(表面交替发光)。该驱动技术关键是利用不点亮的显示行的两个电极之间的零电压，将该行作为非发光区，从而将单元之间彼此的放电干扰减小到最低程度。ALIS技术的汇流电极位于维持电极的中央，能够最大限度地利用表面空间，发光面积也增大了50%。由于显示线增加了一倍，因此非常易于实现高清晰化。采用ALIS技术使用原来的屏生产设备就可生产1000线高清晰的PDP。并且，由于1000线不需分割驱动，可使驱动IC减少一半，大大降低了成本。可以说ALIS技术是实现高清晰度PDP较为理想的技术。
松下公司提出的Plasma AI也是ADS的改进技术，根据某一电视场图像中平均亮度水平来调节子场数。由于在低亮度的情况下，图像的伪轮廓不是很明显，可以减少子场数，高亮度的情况下相应的采用增加子场数的办法来改善子场在时间分布上的线性关系，以降低伪轮廓。
先锋公司提出的CLEAR是一种区别于ADS的新颖的驱动技术。在CLEAR中，初始化后即进入维持点亮阶段，灰度等级到达后，再选择擦除(熄灭)。CLEAR技术采取的图像处理方法为误差扩散法和高频振荡法。其灰度实现在时间分布上的线性排布彻底去除了伪轮廓，提高了PDP表现动画的能力，但是增加了电路开销，不易在灰度等级中实现补偿再现，并且很难降低工作频率。
AwD[11]技术是选址同时显示技术，发光的占空比高达90%。显示屏的结构特点是寻址电极分为上下两部分，同时扫描寻址。在低选址电压AwD中，选址扫描阶段不仅依靠壁电荷，而且依靠空间分布亚稳态Xe原子产生放电，所以可降低点亮电压，也是一种比较好的驱动方法。
L. F. Weber提出的斜坡启动驱动技术，利用了平衡弱放电时低发光使壁电压趋于一致的原理。在准备期保持较好的对比度和控制放电单元状态的情况下，采用斜坡电压来提高发光效率。当波形上升斜率很小时，发电单元就会发生汤生暗放电。这种驱动方法一方面能使不同空间尺寸单元的壁电压维持一致;另一方面可以降低选址电压，还可大幅提高对比度。在PDP驱动电路中涉及成本的一个重要部分是高压驱动部分，一是因为它所要求的电压高，二是因为目前的需求量还没有达到批量生产的水平。解决途径一边可以从电路本身着手，另外通过设计优化放电单元可以有效降低驱动电压，比如SM-PDP。由于采用导电金属材料作为障壁，SM-PDP在EMI散热等方面优于传统障壁结构的SM-PDP的荫罩的边缘处场强比较高，从而可以在较低的外加电压情况下快速地产生放电过程。采用SM-PDP结构最大优点是带动了整机成本的下降，首先是复杂的障壁生产工艺和流程因采用了简单的荫罩而简化了，其次是荫罩型结构可以采用较低的着火电压从而带动驱动芯片成本的降低。
2.3 理论与计算机模拟技术
理论研究和模拟计算是PDP研究中十分重要的内容，是围绕提高PDP发光效率，降低功耗进行的，具体在放电单元结构设计、气体压强、稀有气体最佳混合比例、荧光粉涂覆等方面进行理论研究工作。
现常用理论模拟或监测放电单元发射的真空紫外线来进行彩色PDP的放电机理研究，如研究真空紫外光发光效率和等离子体粒子浓度的关系，寻找氦氖混合气体的最佳比例，以提高PDP放电单元的发光效率;同时，在PDP放电单元中，MgO起着保护电极和介质层的作用，同时产生大量的二次电子。由于提高放电单元中二次电子发射系数能够有效提高发光效率，降低着火电压，改善PDP放电单元的放电特性，所以研究在不同气体混合比例下二次电子的发射系数也是十分有意义的课题。此外，放电单元的结构对PDP发光效率也有着不可忽略的影响，很多研究通过模拟计算来对PDP放电单元的结构进行设计和分析，从而优化PDP的结构，提高PDP放电的效率。同样，荧光粉本身的性质对PDP的发光效率也有影响：在PDP放电单元中，Xe放电产生的VUV照射荧光粉产生可见光，所以要求荧光粉材料有较高的量子效率和对VUV的较低的反射率。有基于Mie散射理论的PDP放电单元
中光子转换过程的模拟计算表明，对于厚度为20～30μm的荧光粉层，荧光粉颗粒的最佳半径是1～2μm。
2.4其他PDP应用技术
目前，其他PDP技术还有：多屏幕应用技术、PDP性能增强技术、视端接口技术、控制电源技术[12]等。
其中，多屏幕应用技术包括了用于多屏幕观赏的图像放大技术、遥控号码指定技术、RGB有源直通连接技术等。
PDP性能增强技术是诸多PDP生产公司为了提高等离子屏的工件性能而开发的新技术，包括等离子真实还原技术、对比度自动跟踪技术、逐行扫描技术等。
视端接口技术是继松下公司向市场推出世界上首台支持BS数字广播电视及110°CS数字广播电视两种制式的PDP电视机TH-42PX10之后，先锋、富士通和东芝以及国内许多公司也陆续采用的新技术，并且各自推出了内置电视调谐器的新机型。
控制电源技术包括待机电源技术、逻辑电源技术、驱动电源技术、音频电源技术、维持电源技术、寻址电源技术、建立电源技术和扫描电源技术等。
3 等离子体显示技术的发展趋势
虽然目前等离子体显示技术水平有了很大提高，但仍存在着一些问题，主要是：产品功耗、成本过高;分辨率、对比度、发光效率有待提高等。针对这些问题，可以预见等离子体显示技术的发展趋势：
3.1 采用高效、节能PDP显示屏制造技术
缩短工艺处理时间，降低制造能源消耗，降低材料成本，采用大尺寸玻璃板多面取技术，使40英寸级PDP电视的价格从目前大约65美元/英寸降低到40美元/英寸。
3.2 降低PDP产品的功耗
优化产品结构设计和电路设计，使40英寸级PDP产品功耗从目前300W左右降低到200W以下，甚至接近100W。
3.3 提高PDP产品的发光效率
富士通公司研究资料表明，通过放电气体和电极结构的改善，可使发光效率从目前的1.8lm/W提升至2.5lm/W。驱动电压波形的改善约可提升1.6倍，荧光粉的改善可提升1.1倍，障壁的改善可提升1.2倍，合计可使发光效率达到5lm/W。
3.4 提高PDP产品显示画面质量
目前彩色PDP产品的R、G、B视频信号大多为8位，发展趋势是采用10位或者12位视频信号，显著提升PDP产品的彩色和灰度再现能力。虽然彩色PDP的暗室对比度已达10000：1，但明室对比度一般在100：1以下，需要进一步提高。
3.5 提高40英寸级高分辨率PDP产品市场竞争力
随着高清晰度电视产业的发展，40英寸级高分辨率PDP产品将成为等离子体电视的发展重点，但需要解决价格偏高的问题。
4 结论
经过多年的研发，PDP技术在大尺寸显示器件市场上占领的阵地正在逐步扩大，家用PDP电视早已进入部分家庭，其中最主要的原因是PDP性能有了大幅提高。但目前PDP技术仍存在功耗、成本过高;分辨率、对比度、发光效率有待提高等问题。这些问题便是许多PDP研究机构及生产厂家所面临的挑战。尤其是高昂的价格，使得PDP在进军家庭市场的过程中受到了阻碍。因此，只有努力克服这些困难，降低其成本，提高其性能，才会有更大更好的PDP的问世。
参考文献
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等离子体显示技术论文篇二
等离子体技术的应用
摘 要: 核聚变能是潜在的清洁安全能源, 其最终的实现对中国能源问题的解决尤其重要。磁约束托卡马克是目前最有可能实现受控热核聚变的方法。磁约束聚变能的实现面临两大瓶颈问题: 高参数稳态等离子体物理问题和托卡马克装置及未来反应堆关键材料问题。其中关键材料问题的解决在很大程度上取决于我们对等离子体与壁材料相互作用过程和机理的深入理解。PW I现象主要发生在托卡马克磁场最外封闭磁面以外的边界等离子体区域内。因此, PW I问题直接决定了聚变的装置运行安全性、壁材料部件研发进程和未来壁的使用寿命。弄清PW I的各种物理过程和机理并施以有效的控制, 是未来核聚变能实现的重要环节之一。对PW I国内外研究现状进行了详细的总结评述, 并阐述了PW I的未来发展趋势和亟待解决的问题。
关键词: 磁约束核聚变; 托卡马克; 等离子体
前言
随着化石能源的枯竭, 人类面临着严重的能源危机。核聚变能是潜在的清洁安全能源, 其燃料氘大量存在于海水之中, 几乎取之不尽用之不竭。因此, 核聚变能被认为是人类能源问题的终极解决方式。核聚变能的最终实现对中国能源问题的解决尤其重要。因为库仑排斥作使核聚变反应非常困难, 使用强磁场约束等离子体并加热至极端高温的“托卡马克”方式是目前最有可能实现受控热核聚变的方法, 而可能实现长脉冲(稳态)高参数运行的全超导磁约束托卡马克则是目前最有发展前途的热核聚变装置。目前, 在国际上两个大型磁约束聚变装置TFTR 和J ET 中, 人类已成功实现了10 MW级聚变能输出。2006年11 月, 欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国、印度和中国七方在巴黎正式签署协议, 启动全超导磁约束国际热核实验堆( In terna tiona lThe rmonuc lea r Exp e rim en ta l R eac to r, ITER ) 建设
[ 1 ], 项目耗资120 亿美元, 将于2018 年在法国Cada rache 建成, 预计可以产生500 MW 的能量。ITER 计划是目前世界上仅次于国际空间站的又一项国际大科学工程项目, 是人类开发洁净新能源的一次大胆尝试。这一计划将集成当今国际上受控磁约束核聚变的主要科学和技术成果, 是人类受控核聚变研究走向实用的关键一步。ITER计划是中国有史以来参加的规模最大的国际科技合作项目。在国内, 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所(以下简称等离子体所)在20世纪90年代,建成了H T - 7超导托卡马克, 是世界上少数几个超导装置之一。2006 年, 等离子体所又独立建成了世界上第一个具有非圆截面的全超导托卡马克( Exp e rim en ta lAdvanced Sup e rconduc ting Tokam ak, EAST) [ 2 ] , 是当今世界上最先进的磁约束热核聚变研究装置之一。目前,EA ST正在开展与ITER相关的各项工程和物理研究, 如长脉冲(稳态)等离子体的稳定控制、等离子体驱动和加热、偏滤器物理、先进壁材料和部件研发及其与托卡马克等离子体相互作用等。核工业西南物理研究院(以下简称西物院)是国内最早开展核聚变研究的研究单位,在高温等离子体物理研究方面取得了令人瞩目的成绩。最近其建成的HL - 2A装置已经成功地进行了偏滤器位形放电并获得了高约束等离子体。目前, 西物院正在全面展开对HL - 2A的升级改造工作。磁约束托卡马克是目前最有可能实现受控热核聚变的方法。磁约束聚变能的实现面临两大瓶颈问题: 高参
数稳态等离子体物理问题和托卡马克装置及未来反应堆关键材料问题。其中, 关键材料问题的解决在很大程度上取决于我们对等离子体与壁材料相互作用( P la sm a2W a ll In te rac tion s, PW I)过程和机理的深入理解。PW I现象主要发生在托卡马克磁场最外封闭磁面( L a st C lo sedF lux Su rface, LCFS)以外的边界等离子体(又称为刮削层, Sc rapp ed2O ff L aye r, SOL )和直接接触SOL的面对等离子体材料( P la sm a2Fac ing M a te ria ls, PFM )区域内。因此, 弄清SOL中的各种物理过程和机理并施以有效的控制, 是未来在ITER 上实现高参数、长脉冲运行的重要环节之一。在SOL区, 大量来自芯部等离子体的稳态能流和粒子流经过复杂的SOL层流输运到PFM 上。同时,由于边界局域模和湍流的作用以及其它不稳定性因素(如垂直位移和破裂等) , 会把更强的瞬态能流和粒子流投向PFM。这些稳态和瞬态的高热负荷和强粒子流轰击以及之后的氢/氦( H /H e)的扩散和滞留, 加上高能聚变中子辐照, 不仅损伤PFM、影响PFM 的结构和性能、缩短其使用寿命和带来装置安全问题, 而且产生的杂质和灰尘进入边界甚至芯部等离子体, 降低了等离子体品质并增加了等离子体稳定控制的难度。而灰尘的化学活性、活化放射性和放射性氚滞留等因素则带来了一系列的安全问题。高速灰尘对PFM 尤其是诊断用第一镜的损伤也将成为一个严重问题。ITER下属的国际托卡马克物理活动组织( ITPA )的刮削层/偏滤器( SOL /D iv)工作组专门负责甄别ITER 最关心的PW I问题并协调国际范围的联合攻关。2008 年底, ITER国际组和SOL /D iv工作组联合提出了ITER 的PW I/边界物理紧急研究计划。PW I问题直接决定了ITER的装置运行安全性、壁材料部件研发进程和未来壁的使用寿命。研究结果对未来聚变示范电站(D EMO )和商业堆的设计、制造和运行将产生重要影响。本文对PW I国内外研究情况进行了详细的总结和评述。 面对等离子体材料的选择和国内外研究现状
1 面对等离子体材料的选择PW I主要发生在SOL 等离子体和PFM 组成的区域内, 直接作用于PFM 表面并通过表面进入基体。因此,PFM 的选材对于PW I的具体过程有决定性的影响。目前尚无任何PFM 可以同时满足与等离子体相容性好、耐高热负荷、耐高通量低能离子和中性粒子辐照、耐高通量高能中子辐照射等[ 3 - 4 ]苛刻要求。迄今研究最多的PFM 是碳( C) 、铍(B e)和钨(W ) 。C的优点是低Z、热力学性能好、不熔化、升华温度高; 缺点是高的溅射刻蚀率、与氚共堆积滞留、中子辐照脆化等。B e的优点是低Z、吸氧能力强、H 同位素(包括氘和氚, 以下如无特殊说明均用H表示)滞留较小; 缺点是低熔点、高溅射和毒性等。W 材料以其高熔点、低溅射、不与H发生化学反应、H 滞留极低等特性被视为未来托卡马克/聚变堆中最可能全面使用的PFM[ 5 ], 其缺点是存在高Z杂质辐射、高热负荷下再结晶脆化甚至熔化/蒸发的问题。鉴于W 在未来壁材料中的重要地位, 针对其最主要的辐射问题, 德国在A SD EX2U 托卡马克上开展了系统的W 壁物理实验, 结果表明, W 杂质向芯部等离子体的传输过程受到多种辅助加热手段的有效抑 [ 5 ] 。据此ITER 已确定了一条从B e /C /W 到B e /W 最后变成全W 2PFM 的路线[ 3 , 6 ] 。EA ST也确定了约3 年后逐步从现在的全C到C /W 的过渡, 最后变成全W 2PFM的发展方向。EA ST将成为ITER建成之前世界上能够开展ITER相关的PW I物理和工程研究的最重要装置之一。在ITER以后的堆型设计中, 全W 2PFM 概念已经成为共识[ 4 ] 。
展 望
尽管国内外对PW I问题已经做了不少研究工作,但是从大的方面来说, 仍然存在许多问题需要解决。根据当前的研究进展和现状可以看出, PW I还存在如下问题亟待解决:( 1 ) 边界等离子体的原子分子过程数据尚不完善,粒子输运和再沉积的行为并不完全清楚;( 2 ) 等离子体辐照下PFM 的表面损伤、杂质产生和结构效应问题, 这些与PFM 的寿命直接相关, 强磁场、热冲击条件下PFM 的行为也有待进一步研究。( 3 ) 灰尘产生的机理及安全分析, 灰尘对材料的损伤程度, 灰尘监测和清除问题;( 4 ) 尽管在全金属壁调整处理方面国际上有一些新方法正处于研发阶段, 但是这些方法只进行过少量实验, 其实际应用有待进行更深入和广泛的研究。( 5 ) 托卡马克高参数长脉冲运行面临许多安全和运行的限制, 需要通过壁状态的全面原位监测和控制来达成, 因此发展壁监测技术迫在眉睫。针对国家聚变大科学工程和ITER对PW I相关数据的紧迫需求, 国内外必须尽快全面深入开展PW I相关__的基础研究工作。国家科技部2009 年国际热核聚变实验堆( ITER )计划专项已对PW I研究进行资助, 即“托卡马克等离子体与壁材料相互作用研究”项目, 这将极大地促进中国PW I研究的进展。
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