等離子體顯示技術論文
等離子體顯示技術論文
等離子體顯示器(PDP)的出現(xiàn)至今已有很長的歷史，但直到1990年代初才突破彩色化、亮度和壽命等關鍵技術，下面小編給大家分享一些等離子體顯示技術論文，大家快來跟小編一起欣賞吧。
等離子體顯示技術論文篇一
等離子體顯示技術研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢
等離子體顯示器(PDP)的出現(xiàn)至今已有很長的歷史，但直到1990年代初才突破彩色化、亮度和壽命等關鍵技術，進入彩色PDP的實用化階段，其亮度均勻、無X射線輻射、抗電磁干擾能力強、對迅速變化的畫面響應速度快、視角大、易于實現(xiàn)大畫面顯示等優(yōu)點，覆蓋了從30in到70in的高分辨率顯示領域，是高清晰度電視(HDTV)的主要候選者。 但由于該類顯示器功耗大、亮度和光效率低、工作時容易發(fā)生像素間串擾、價格昂貴等，目前還難于普及推廣到家庭用戶。因此，世界上的許多PDP生產(chǎn)廠家，如松下、富士通、LG、Plasma等公司，針對PDP存在的問題，做了許多相應的研究并取得了重大突破。 本文介紹了目前世界各PDP生產(chǎn)公司和研究機構在改進PDP的結構技術、驅動電路技術以及其他應用技術等方面所做的研究和取得的進步，并且根據(jù)目前等離子體顯示技術存在的問題，對今后PDP的發(fā)展趨勢進行了探討。
1等離子顯示器
1.1等離子顯示器的工作原理
PDP是一種利用氣體放電的顯示技術，其工作原理與日光燈很相似。它采用了等離子管作為發(fā)光元件，通過在管子兩端的激勵電極上加入電壓，使放電空間內(nèi)的混合惰性氣體電離成一種特殊物理狀態(tài)——電漿狀態(tài)[1]，同時發(fā)生等離子體放電現(xiàn)象。氣體等離子體放電產(chǎn)生紫外線，紫外線激發(fā)熒光屏，熒光屏見光，發(fā)射出可顯現(xiàn)出圖像。當使用涂有三原色(也
等離子體顯示技術研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 1 稱三基色)熒光粉的熒光屏時，紫外線激發(fā)熒光屏，熒光屏發(fā)出的光則呈紅、綠、藍三原色。當每一原色單元實現(xiàn)256級灰度后再進行混色，便實現(xiàn)彩色顯示。
1.2 等離子顯示器的特點
等離子顯示器是采用了近幾年來高速發(fā)展的等離子平面屏幕技術的新一代顯示設備。這種顯示器的主要特點是圖像真正清晰逼真，在室外及普通居室光線下均可視，可提供在任何環(huán)境下的大屏視角，不會因磁場影響產(chǎn)生色彩、幾何失真及噪音等優(yōu)勢。具體有以下比較突出的特點：亮度、對比度高;色彩還原性好;顯示效果非常出色;純平面圖像無扭曲;超薄設計、超寬視角;具有齊全的輸人接口[2]，可接駁市面上幾乎所有的信號源;具有良好的防電磁干擾功能;環(huán)保無輻射;散熱性能好;無噪音困擾。
1.3 等離子顯示器的分類
PDP產(chǎn)品根據(jù)限制電流的方式或是在放電時所施加的電壓形式可簡單分為DC型PDP和AC型PDP兩種。DC型PDP是以直流(DC)電壓啟動放電并用電阻來限制放電電流的大小，其結構較復雜，容易在等離子體放電時受到離子碰撞導致?lián)p壞及劣化，縮短PDP壽命，很難設計電路并且無法有效控制產(chǎn)品的質(zhì)量;AC型PDP在放電電極上覆蓋有透明介電層與耐離子撞擊的保護層，可以利用交流(AC)電壓在介電層表面引發(fā)放電，其電極上覆蓋有保護層耐離子撞擊，壽命較DC型長。由于AC型PDP有結構簡單、壽命長的優(yōu)點，因此目前PDP產(chǎn)品是以AC型PDP為主流。
2 等離子體顯示技術的研究現(xiàn)狀
2.1 PDP結構技術的研究
PDP結構技術的研發(fā)工作一直圍繞著障壁技術、電極的制造工藝和材料進行。在
AC-PDP器件中，障壁的主要作用有兩點：一是保證兩塊基板間的放電間隙，確保一定的放電空間;二是防止相鄰單元間的光點串擾。對障壁幾何尺寸的要求是寬度應盡可能窄，以增大單元的開口率，提高器件亮度，同時要求高度一致、形狀勻稱。障壁的主要制作技術有絲網(wǎng)印刷法、噴沙法，現(xiàn)在又提出并試驗成功了許多新工藝，如光敏漿料法、模壓法、玻璃原料成型技術、刻蝕研磨法[3]。目前噴沙法是制作障壁的主流技術。障壁的形成是PDP制造中最關鍵也是最困難的工藝。所以開發(fā)工藝簡單，材料成本低的障壁制作技術是一項降低PDP成本的有效措施。因此，各PDP制造公司和研究機構對于新型障壁制作方法的研究開發(fā)十分積極。PDP的電極也起著舉足輕重的作用：透明電極、匯流電極和尋址電極材料的選擇和制作工藝由器件對其的光電要求決定，要考慮到導電性、對基板的附著力和保護介質(zhì)的兼容性，同時又要在工藝滿足簡易性和經(jīng)濟性。透明電極一般是用ITO制成，為了增強它的導電性，在這上面加做一條金屬匯流電極(bus電極)，尋址電極一般是厚膜Ag電極?，F(xiàn)在已有研究機構提出了用柵極Cr/Cu/Cr電極結構來代替原來傳統(tǒng)的顯示電極。
常見的PDP結構有Waffle障壁和T型電極結構、Delta蜂窩狀單元及彎曲障壁結構、CSP結構、不等寬結構和CCF(彩色濾光)膜結構。
采用Waffle 障壁結構可擴大熒光體所占比例，提高20%的發(fā)光效率。此外，采用T字型透明電極來抑制放電峰值電流，以此來提高發(fā)光效率。目前，先鋒公司研制的新結構表面放電型的AC-PDP就是采用了Waffle障壁結構和T型電極[4]以及新型綠、藍熒光粉，并提高放電氣體中的氙氣含量，使得42英寸PDP的發(fā)光效率提高到1.8lm/W，白場峰值亮度提高到900cd/m2，功耗降到380W，但有電極對位和排氣上的困難。
富士通公司開發(fā)的彎曲障壁AC-PDP的像素結構為像素三角形排列和彎曲形障壁(Meander ribs )結構[5]，即所謂的DelTA(Delta Tri 2colorArrangement)結構。其設計思想是增大熒光粉的涂覆面積，增加單元中的有效發(fā)光面積，從而使亮度和光效都得到提高，同時備有一定的排氣管道。如像素大小為1.08mm的DelTA結構，亮度為200cd/m2時發(fā)光效率可達3lm/W白場峰值高達1000cd/m2，實現(xiàn)了高亮度高光效，并使排氣暢通，但是提高了對電極對位精度的要求。
韓國LG 公司提出CSP (charge storage pad)結構[6]，在透明介質(zhì)層與MgO保護膜之間添加一形狀為方形，相互間隔離并與外電路分離、處于浮動狀態(tài)的透明導電材(ITO)，該導電體可以起屏蔽和增加電容，儲藏電荷的作用。同時還可以平抑電流強度，延長放電時間，提高發(fā)光效率。又由于浮動狀態(tài)的CSP塊與維持電極相比電壓較低，所以電荷被限制在CSP塊之間，所以還能起到降低串擾的作用。實驗結果表明，CSP與普通結構相比，發(fā)光效率提高1.6倍，而且亮度也提高了1.6倍。
Waffle結構和DelTa結構中RGB三色熒光粉都是等寬的，但考慮到在RGB三色熒光粉發(fā)光效率不一致，而且衰減也不一致，這就帶來色溫和色平衡的壽命問題。特別是藍色熒光粉目前還存在發(fā)光效率偏低和衰減較快的問題，所以除了從熒光粉著手外還可以從單元結構入手。
松下公司提出的非對稱單元結構，特別擴大了藍色熒光粉的面積，成功地解決了色溫偏低的問題，使色溫偏差可以高于10000K，解決了色溫和色平衡的問題。但是，這樣的結構同時也會帶來單元工作電壓偏差范圍增大的問題。
NEC公司則通過在前基板上添加彩色濾光膜(CCF)的方法來改善屏的色溫和對比度，將CCF制作在顯示電極(X、Y電極)與介質(zhì)層之間，并與后基板上配置的三色熒光粉相對應，能擴大彩色再現(xiàn)范圍，達到10000K左右的白場色溫，提高對比度。
Plasmaco提出的柵型Cr/Cu/Cr電極結構[7]，成功應用于60英寸AC型PDP。位于前基板的每條顯示電極(X、Y電極)都由三條很細的Cr/Cu/Cr薄膜電極組成，它們提供了與透明電極類似的較大放電區(qū)域和電容。一方面，當一根或二根電極斷路時，可以保持導電;另一方面，提高了開口率從而提高了亮度。由于金屬Cr較易氧化成黑色，這又可以提高對比度。另外，由于Cr/Cu/Cr電極無須高溫工藝，因此可采用普通鈉鈣硅玻璃，降低了材料成本。但Cr/Cu/Cr電極制造過程也比較復雜，須采用濺射工藝，而且在刻蝕中使用三種不同刻蝕液，須經(jīng)三次刻蝕，并且存在邊蝕等工藝難題。這一結構的商業(yè)化生產(chǎn)還處于研究之中。
障壁材料的選擇在整個障壁制作中也十分重要，直接關系著障壁的制作工藝的難易和制作成本的高低。普通的絲網(wǎng)印刷采用的是低熔點玻璃粉材料。噴沙法先用耐噴沙的光敏膠或光敏干膜用光刻法制成圖形，噴沙時利用障壁材料和光敏膠的選擇性刻蝕形成障壁圖形，再經(jīng)去膠和燒結而成。但是這兩種方法都存在成本高，成品率低的缺點，因此很多研究機構開始考慮不采用障壁而采用別的方式來重新考慮PDP的結構。
富士通提出了一種新型的PDP結構，采用管徑為1mm左右細長的等離子管陣列來代替原有的條狀障壁結構。由于顯示屏是由這些細小的管子排列而成，屏幕尺寸僅取決于管子的數(shù)目，實現(xiàn)大尺寸就不會受到生產(chǎn)設備的限制，即使是生產(chǎn)100英寸的大屏幕也只需要生產(chǎn)單個管子的設備。同時，由于熒光粉涂覆在管內(nèi)，而管子只有兩頭與空氣接觸，灰塵不易進入，就降低了對生產(chǎn)環(huán)境無塵的要求。試驗表明，該種結構的PDP完全可以采用已有的驅動方式，從整體來說在很大程度上降低了生產(chǎn)的成本。同時，等離子體管的放電間距與放電空間較大，發(fā)光的效率較普通的PDP高，但是圖像的質(zhì)量還有待改進。
東南大學發(fā)明的一種新型的蔭罩式PDP(SM-PDP)結構[8]，不用介質(zhì)障壁而用金屬網(wǎng)罩將各個放電單元隔開，避免了光點串擾。SM-PDP屬于對向式表面放電，工作時，上基板的掃描電極、下基板的尋址電極、中間的金屬罩各加上一電壓。在交變電壓的作用下，使氣體放電發(fā)光。試驗表明，金屬蔭罩作為導體能夠影響放電單元中電場的分布，類碗狀金屬蔭罩能更好地將放電粒子集中在放電單元的中心，一方面可以改善離子束的聚焦情況，提高圖像的顯示質(zhì)量;另一方面也減小了粒子對金屬障壁上熒光粉的轟擊，延長了PDP的使用壽命。
2.2 PDP驅動電路技術的研究
對于彩色PDP來說，必須要有驅動電路才能正常的工作。驅動電路無論在技術上還是在價格上都起著舉足輕重的作用。一個性能良好的PDP彩色電視，驅動電路占到總成本的70%～80%。因此如何開發(fā)出適合彩色PDP的驅動電路也是提高其性能、降低成本的重要因素。
目前常用的驅動技術有ADS驅動技術、ALIS技術、Plasma AI技術、CLEAR技術、AwD技術、斜坡啟動驅動技術等。
富士通提出的選址和顯示分離技術ADS(Address and Display Separation)采用脈沖個數(shù)調(diào)制方式來實現(xiàn)不同灰度等級的圖像。ADS技術雖然能夠實現(xiàn)256級灰度，但是點亮占空比低，對比度不高，峰值亮度難以提高，存在運動圖像模糊、偽輪廓、畫面閃爍和長時間圖像水紋印[9]等現(xiàn)象，導致圖像質(zhì)量不太令人滿意。但已有研究表明，可以采用改進的二進制編碼法[10]、非二進制編碼法和運動補償?shù)姆椒▉硐齻屋喞?，提高圖像質(zhì)量。改進的二進制編碼法、非二進制編碼法是目前等離子體顯示屏所普遍采用的方法，但是這兩種方法只是部分的改進了圖像的質(zhì)量;而運動補償方法從理論上可以消除顯示運動圖像出現(xiàn)的問題?，F(xiàn)在有研究機構提出將運動補償法與ADS視頻驅動模塊緊密結合在一起：在研究了人眼觀看視頻圖像時的視覺心理模型后，提出將空間積分的影響加入到人眼的視覺心理過程;并采用將子場和視頻幀分離的視頻驅動優(yōu)化方法和基于bit位進行補償?shù)姆椒ǎ浞掷肞DP子場尋址方式來實現(xiàn)補償，更進一步的是，將數(shù)字信號處理的相關算法引入到PDP顯示屏的視頻驅動模塊中，通過信號處理來提高顯示的圖像質(zhì)量，適應了高端顯示器件的發(fā)展方向。
針對ADS驅動技術存在的問題，富士通又提出了ALIS(表面交替發(fā)光)。該驅動技術關鍵是利用不點亮的顯示行的兩個電極之間的零電壓，將該行作為非發(fā)光區(qū)，從而將單元之間彼此的放電干擾減小到最低程度。ALIS技術的匯流電極位于維持電極的中央，能夠最大限度地利用表面空間，發(fā)光面積也增大了50%。由于顯示線增加了一倍，因此非常易于實現(xiàn)高清晰化。采用ALIS技術使用原來的屏生產(chǎn)設備就可生產(chǎn)1000線高清晰的PDP。并且，由于1000線不需分割驅動，可使驅動IC減少一半，大大降低了成本?？梢哉fALIS技術是實現(xiàn)高清晰度PDP較為理想的技術。
松下公司提出的Plasma AI也是ADS的改進技術，根據(jù)某一電視場圖像中平均亮度水平來調(diào)節(jié)子場數(shù)。由于在低亮度的情況下，圖像的偽輪廓不是很明顯，可以減少子場數(shù)，高亮度的情況下相應的采用增加子場數(shù)的辦法來改善子場在時間分布上的線性關系，以降低偽輪廓。
先鋒公司提出的CLEAR是一種區(qū)別于ADS的新穎的驅動技術。在CLEAR中，初始化后即進入維持點亮階段，灰度等級到達后，再選擇擦除(熄滅)。CLEAR技術采取的圖像處理方法為誤差擴散法和高頻振蕩法。其灰度實現(xiàn)在時間分布上的線性排布徹底去除了偽輪廓，提高了PDP表現(xiàn)動畫的能力，但是增加了電路開銷，不易在灰度等級中實現(xiàn)補償再現(xiàn)，并且很難降低工作頻率。
AwD[11]技術是選址同時顯示技術，發(fā)光的占空比高達90%。顯示屏的結構特點是尋址電極分為上下兩部分，同時掃描尋址。在低選址電壓AwD中，選址掃描階段不僅依靠壁電荷，而且依靠空間分布亞穩(wěn)態(tài)Xe原子產(chǎn)生放電，所以可降低點亮電壓，也是一種比較好的驅動方法。
L. F. Weber提出的斜坡啟動驅動技術，利用了平衡弱放電時低發(fā)光使壁電壓趨于一致的原理。在準備期保持較好的對比度和控制放電單元狀態(tài)的情況下，采用斜坡電壓來提高發(fā)光效率。當波形上升斜率很小時，發(fā)電單元就會發(fā)生湯生暗放電。這種驅動方法一方面能使不同空間尺寸單元的壁電壓維持一致;另一方面可以降低選址電壓，還可大幅提高對比度。在PDP驅動電路中涉及成本的一個重要部分是高壓驅動部分，一是因為它所要求的電壓高，二是因為目前的需求量還沒有達到批量生產(chǎn)的水平。解決途徑一邊可以從電路本身著手，另外通過設計優(yōu)化放電單元可以有效降低驅動電壓，比如SM-PDP。由于采用導電金屬材料作為障壁，SM-PDP在EMI散熱等方面優(yōu)于傳統(tǒng)障壁結構的SM-PDP的蔭罩的邊緣處場強比較高，從而可以在較低的外加電壓情況下快速地產(chǎn)生放電過程。采用SM-PDP結構最大優(yōu)點是帶動了整機成本的下降，首先是復雜的障壁生產(chǎn)工藝和流程因采用了簡單的蔭罩而簡化了，其次是蔭罩型結構可以采用較低的著火電壓從而帶動驅動芯片成本的降低。
2.3 理論與計算機模擬技術
理論研究和模擬計算是PDP研究中十分重要的內(nèi)容，是圍繞提高PDP發(fā)光效率，降低功耗進行的，具體在放電單元結構設計、氣體壓強、稀有氣體最佳混合比例、熒光粉涂覆等方面進行理論研究工作。
現(xiàn)常用理論模擬或監(jiān)測放電單元發(fā)射的真空紫外線來進行彩色PDP的放電機理研究，如研究真空紫外光發(fā)光效率和等離子體粒子濃度的關系，尋找氦氖混合氣體的最佳比例，以提高PDP放電單元的發(fā)光效率;同時，在PDP放電單元中，MgO起著保護電極和介質(zhì)層的作用，同時產(chǎn)生大量的二次電子。由于提高放電單元中二次電子發(fā)射系數(shù)能夠有效提高發(fā)光效率，降低著火電壓，改善PDP放電單元的放電特性，所以研究在不同氣體混合比例下二次電子的發(fā)射系數(shù)也是十分有意義的課題。此外，放電單元的結構對PDP發(fā)光效率也有著不可忽略的影響，很多研究通過模擬計算來對PDP放電單元的結構進行設計和分析，從而優(yōu)化PDP的結構，提高PDP放電的效率。同樣，熒光粉本身的性質(zhì)對PDP的發(fā)光效率也有影響：在PDP放電單元中，Xe放電產(chǎn)生的VUV照射熒光粉產(chǎn)生可見光，所以要求熒光粉材料有較高的量子效率和對VUV的較低的反射率。有基于Mie散射理論的PDP放電單元
中光子轉換過程的模擬計算表明，對于厚度為20～30μm的熒光粉層，熒光粉顆粒的最佳半徑是1～2μm。
2.4其他PDP應用技術
目前，其他PDP技術還有：多屏幕應用技術、PDP性能增強技術、視端接口技術、控制電源技術[12]等。
其中，多屏幕應用技術包括了用于多屏幕觀賞的圖像放大技術、遙控號碼指定技術、RGB有源直通連接技術等。
PDP性能增強技術是諸多PDP生產(chǎn)公司為了提高等離子屏的工件性能而開發(fā)的新技術，包括等離子真實還原技術、對比度自動跟蹤技術、逐行掃描技術等。
視端接口技術是繼松下公司向市場推出世界上首臺支持BS數(shù)字廣播電視及110°CS數(shù)字廣播電視兩種制式的PDP電視機TH-42PX10之后，先鋒、富士通和東芝以及國內(nèi)許多公司也陸續(xù)采用的新技術，并且各自推出了內(nèi)置電視調(diào)諧器的新機型。
控制電源技術包括待機電源技術、邏輯電源技術、驅動電源技術、音頻電源技術、維持電源技術、尋址電源技術、建立電源技術和掃描電源技術等。
3 等離子體顯示技術的發(fā)展趨勢
雖然目前等離子體顯示技術水平有了很大提高，但仍存在著一些問題，主要是：產(chǎn)品功耗、成本過高;分辨率、對比度、發(fā)光效率有待提高等。針對這些問題，可以預見等離子體顯示技術的發(fā)展趨勢：
3.1 采用高效、節(jié)能PDP顯示屏制造技術
縮短工藝處理時間，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術，使40英寸級PDP電視的價格從目前大約65美元/英寸降低到40美元/英寸。
3.2 降低PDP產(chǎn)品的功耗
優(yōu)化產(chǎn)品結構設計和電路設計，使40英寸級PDP產(chǎn)品功耗從目前300W左右降低到200W以下，甚至接近100W。
3.3 提高PDP產(chǎn)品的發(fā)光效率
富士通公司研究資料表明，通過放電氣體和電極結構的改善，可使發(fā)光效率從目前的1.8lm/W提升至2.5lm/W。驅動電壓波形的改善約可提升1.6倍，熒光粉的改善可提升1.1倍，障壁的改善可提升1.2倍，合計可使發(fā)光效率達到5lm/W。
3.4 提高PDP產(chǎn)品顯示畫面質(zhì)量
目前彩色PDP產(chǎn)品的R、G、B視頻信號大多為8位，發(fā)展趨勢是采用10位或者12位視頻信號，顯著提升PDP產(chǎn)品的彩色和灰度再現(xiàn)能力。雖然彩色PDP的暗室對比度已達10000：1，但明室對比度一般在100：1以下，需要進一步提高。
3.5 提高40英寸級高分辨率PDP產(chǎn)品市場競爭力
隨著高清晰度電視產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，40英寸級高分辨率PDP產(chǎn)品將成為等離子體電視的發(fā)展重點，但需要解決價格偏高的問題。
4 結論
經(jīng)過多年的研發(fā)，PDP技術在大尺寸顯示器件市場上占領的陣地正在逐步擴大，家用PDP電視早已進入部分家庭，其中最主要的原因是PDP性能有了大幅提高。但目前PDP技術仍存在功耗、成本過高;分辨率、對比度、發(fā)光效率有待提高等問題。這些問題便是許多PDP研究機構及生產(chǎn)廠家所面臨的挑戰(zhàn)。尤其是高昂的價格，使得PDP在進軍家庭市場的過程中受到了阻礙。因此，只有努力克服這些困難，降低其成本，提高其性能，才會有更大更好的PDP的問世。
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等離子體顯示技術論文篇二
等離子體技術的應用
摘 要: 核聚變能是潛在的清潔安全能源, 其最終的實現(xiàn)對中國能源問題的解決尤其重要。磁約束托卡馬克是目前最有可能實現(xiàn)受控熱核聚變的方法。磁約束聚變能的實現(xiàn)面臨兩大瓶頸問題: 高參數(shù)穩(wěn)態(tài)等離子體物理問題和托卡馬克裝置及未來反應堆關鍵材料問題。其中關鍵材料問題的解決在很大程度上取決于我們對等離子體與壁材料相互作用過程和機理的深入理解。PW I現(xiàn)象主要發(fā)生在托卡馬克磁場最外封閉磁面以外的邊界等離子體區(qū)域內(nèi)。因此, PW I問題直接決定了聚變的裝置運行安全性、壁材料部件研發(fā)進程和未來壁的使用壽命。弄清PW I的各種物理過程和機理并施以有效的控制, 是未來核聚變能實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)之一。對PW I國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了詳細的總結評述, 并闡述了PW I的未來發(fā)展趨勢和亟待解決的問題。
關鍵詞: 磁約束核聚變; 托卡馬克; 等離子體
前言
隨著化石能源的枯竭, 人類面臨著嚴重的能源危機。核聚變能是潛在的清潔安全能源, 其燃料氘大量存在于海水之中, 幾乎取之不盡用之不竭。因此, 核聚變能被認為是人類能源問題的終極解決方式。核聚變能的最終實現(xiàn)對中國能源問題的解決尤其重要。因為庫侖排斥作使核聚變反應非常困難, 使用強磁場約束等離子體并加熱至極端高溫的“托卡馬克”方式是目前最有可能實現(xiàn)受控熱核聚變的方法, 而可能實現(xiàn)長脈沖(穩(wěn)態(tài))高參數(shù)運行的全超導磁約束托卡馬克則是目前最有發(fā)展前途的熱核聚變裝置。目前, 在國際上兩個大型磁約束聚變裝置TFTR 和J ET 中, 人類已成功實現(xiàn)了10 MW級聚變能輸出。2006年11 月, 歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國、印度和中國七方在巴黎正式簽署協(xié)議, 啟動全超導磁約束國際熱核實驗堆( In terna tiona lThe rmonuc lea r Exp e rim en ta l R eac to r, ITER ) 建設
[ 1 ], 項目耗資120 億美元, 將于2018 年在法國Cada rache 建成, 預計可以產(chǎn)生500 MW 的能量。ITER 計劃是目前世界上僅次于國際空間站的又一項國際大科學工程項目, 是人類開發(fā)潔凈新能源的一次大膽嘗試。這一計劃將集成當今國際上受控磁約束核聚變的主要科學和技術成果, 是人類受控核聚變研究走向實用的關鍵一步。ITER計劃是中國有史以來參加的規(guī)模最大的國際科技合作項目。在國內(nèi), 中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院等離子體物理研究所(以下簡稱等離子體所)在20世紀90年代,建成了H T - 7超導托卡馬克, 是世界上少數(shù)幾個超導裝置之一。2006 年, 等離子體所又獨立建成了世界上第一個具有非圓截面的全超導托卡馬克( Exp e rim en ta lAdvanced Sup e rconduc ting Tokam ak, EAST) [ 2 ] , 是當今世界上最先進的磁約束熱核聚變研究裝置之一。目前,EA ST正在開展與ITER相關的各項工程和物理研究, 如長脈沖(穩(wěn)態(tài))等離子體的穩(wěn)定控制、等離子體驅動和加熱、偏濾器物理、先進壁材料和部件研發(fā)及其與托卡馬克等離子體相互作用等。核工業(yè)西南物理研究院(以下簡稱西物院)是國內(nèi)最早開展核聚變研究的研究單位,在高溫等離子體物理研究方面取得了令人矚目的成績。最近其建成的HL - 2A裝置已經(jīng)成功地進行了偏濾器位形放電并獲得了高約束等離子體。目前, 西物院正在全面展開對HL - 2A的升級改造工作。磁約束托卡馬克是目前最有可能實現(xiàn)受控熱核聚變的方法。磁約束聚變能的實現(xiàn)面臨兩大瓶頸問題: 高參
數(shù)穩(wěn)態(tài)等離子體物理問題和托卡馬克裝置及未來反應堆關鍵材料問題。其中, 關鍵材料問題的解決在很大程度上取決于我們對等離子體與壁材料相互作用( P la sm a2W a ll In te rac tion s, PW I)過程和機理的深入理解。PW I現(xiàn)象主要發(fā)生在托卡馬克磁場最外封閉磁面( L a st C lo sedF lux Su rface, LCFS)以外的邊界等離子體(又稱為刮削層, Sc rapp ed2O ff L aye r, SOL )和直接接觸SOL的面對等離子體材料( P la sm a2Fac ing M a te ria ls, PFM )區(qū)域內(nèi)。因此, 弄清SOL中的各種物理過程和機理并施以有效的控制, 是未來在ITER 上實現(xiàn)高參數(shù)、長脈沖運行的重要環(huán)節(jié)之一。在SOL區(qū), 大量來自芯部等離子體的穩(wěn)態(tài)能流和粒子流經(jīng)過復雜的SOL層流輸運到PFM 上。同時,由于邊界局域模和湍流的作用以及其它不穩(wěn)定性因素(如垂直位移和破裂等) , 會把更強的瞬態(tài)能流和粒子流投向PFM。這些穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的高熱負荷和強粒子流轟擊以及之后的氫/氦( H /H e)的擴散和滯留, 加上高能聚變中子輻照, 不僅損傷PFM、影響PFM 的結構和性能、縮短其使用壽命和帶來裝置安全問題, 而且產(chǎn)生的雜質(zhì)和灰塵進入邊界甚至芯部等離子體, 降低了等離子體品質(zhì)并增加了等離子體穩(wěn)定控制的難度。而灰塵的化學活性、活化放射性和放射性氚滯留等因素則帶來了一系列的安全問題。高速灰塵對PFM 尤其是診斷用第一鏡的損傷也將成為一個嚴重問題。ITER下屬的國際托卡馬克物理活動組織( ITPA )的刮削層/偏濾器( SOL /D iv)工作組專門負責甄別ITER 最關心的PW I問題并協(xié)調(diào)國際范圍的聯(lián)合攻關。2008 年底, ITER國際組和SOL /D iv工作組聯(lián)合提出了ITER 的PW I/邊界物理緊急研究計劃。PW I問題直接決定了ITER的裝置運行安全性、壁材料部件研發(fā)進程和未來壁的使用壽命。研究結果對未來聚變示范電站(D EMO )和商業(yè)堆的設計、制造和運行將產(chǎn)生重要影響。本文對PW I國內(nèi)外研究情況進行了詳細的總結和評述。 面對等離子體材料的選擇和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1 面對等離子體材料的選擇PW I主要發(fā)生在SOL 等離子體和PFM 組成的區(qū)域內(nèi), 直接作用于PFM 表面并通過表面進入基體。因此,PFM 的選材對于PW I的具體過程有決定性的影響。目前尚無任何PFM 可以同時滿足與等離子體相容性好、耐高熱負荷、耐高通量低能離子和中性粒子輻照、耐高通量高能中子輻照射等[ 3 - 4 ]苛刻要求。迄今研究最多的PFM 是碳( C) 、鈹(B e)和鎢(W ) 。C的優(yōu)點是低Z、熱力學性能好、不熔化、升華溫度高; 缺點是高的濺射刻蝕率、與氚共堆積滯留、中子輻照脆化等。B e的優(yōu)點是低Z、吸氧能力強、H 同位素(包括氘和氚, 以下如無特殊說明均用H表示)滯留較小; 缺點是低熔點、高濺射和毒性等。W 材料以其高熔點、低濺射、不與H發(fā)生化學反應、H 滯留極低等特性被視為未來托卡馬克/聚變堆中最可能全面使用的PFM[ 5 ], 其缺點是存在高Z雜質(zhì)輻射、高熱負荷下再結晶脆化甚至熔化/蒸發(fā)的問題。鑒于W 在未來壁材料中的重要地位, 針對其最主要的輻射問題, 德國在A SD EX2U 托卡馬克上開展了系統(tǒng)的W 壁物理實驗, 結果表明, W 雜質(zhì)向芯部等離子體的傳輸過程受到多種輔助加熱手段的有效抑 [ 5 ] 。據(jù)此ITER 已確定了一條從B e /C /W 到B e /W 最后變成全W 2PFM 的路線[ 3 , 6 ] 。EA ST也確定了約3 年后逐步從現(xiàn)在的全C到C /W 的過渡, 最后變成全W 2PFM的發(fā)展方向。EA ST將成為ITER建成之前世界上能夠開展ITER相關的PW I物理和工程研究的最重要裝置之一。在ITER以后的堆型設計中, 全W 2PFM 概念已經(jīng)成為共識[ 4 ] 。
展 望
盡管國內(nèi)外對PW I問題已經(jīng)做了不少研究工作,但是從大的方面來說, 仍然存在許多問題需要解決。根據(jù)當前的研究進展和現(xiàn)狀可以看出, PW I還存在如下問題亟待解決:( 1 ) 邊界等離子體的原子分子過程數(shù)據(jù)尚不完善,粒子輸運和再沉積的行為并不完全清楚;( 2 ) 等離子體輻照下PFM 的表面損傷、雜質(zhì)產(chǎn)生和結構效應問題, 這些與PFM 的壽命直接相關, 強磁場、熱沖擊條件下PFM 的行為也有待進一步研究。( 3 ) 灰塵產(chǎn)生的機理及安全分析, 灰塵對材料的損傷程度, 灰塵監(jiān)測和清除問題;( 4 ) 盡管在全金屬壁調(diào)整處理方面國際上有一些新方法正處于研發(fā)階段, 但是這些方法只進行過少量實驗, 其實際應用有待進行更深入和廣泛的研究。( 5 ) 托卡馬克高參數(shù)長脈沖運行面臨許多安全和運行的限制, 需要通過壁狀態(tài)的全面原位監(jiān)測和控制來達成, 因此發(fā)展壁監(jiān)測技術迫在眉睫。針對國家聚變大科學工程和ITER對PW I相關數(shù)據(jù)的緊迫需求, 國內(nèi)外必須盡快全面深入開展PW I相關__的基礎研究工作。國家科技部2009 年國際熱核聚變實驗堆( ITER )計劃專項已對PW I研究進行資助, 即“托卡馬克等離子體與壁材料相互作用研究”項目, 這將極大地促進中國PW I研究的進展。
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