[拼音]：dengliziti he biaomian de xianghu zuoyong

[外文]：interaction of plas with su ce

等离子体和固体表面接近或接触时，等离子体和周围气相、表面相、固相之间交换能量、物质和信息的过程。

等离子体和表面的相互作用，例如溅射，已发现了一个世纪以上，但只有这一领域和受控热核聚变研究相结合，才得到迅速发展。在受控热核聚变研究的早期阶段，就已发现并研究了单极弧、气体循环等现象。但当时等离子体参量比较低，这些研究并未引起足够的重视。20世纪70年代，由于受控热核聚变、特别是托卡马克的进展，逐渐认识到杂质问题的重要性，对这一课题投入越来越多的工作，发展成为受控热核聚变研究的一个分支。因此，作为一个研究领域，等离子体和表面的相互作用主要指受控热核聚变装置中的高温等离子体和表面的相互作用。

等离子体和表面相互作用是一个边缘研究领域，它和等离子体物理、表面物理、等离子体化学、原子物理、分子物理等学科都存在密切的关系。

由于等离子体可以划分为低温等离子体和高温等离子体，等离子体和表面的相互作用也可划分为两个方面。

低温等离子体和表面的相互作用主要发生在等离子体切割、焊接、冶炼和表面处理，磁流体发电机的器壁和电极，以及当运载火箭通过大气层时在火箭外壳表面形成的等离子体和外壳之间，等等。这种等离子体的温度约为103～104K，密度较高，压强接近一大气压。

高温等离子体和表面的相互作用主要发生在受控热核聚变的实验装置，以及未来的聚变反应堆的反应室的第一壁（即等离子体直接照射的固体壁）、偏滤器、孔阑以及磁镜装置的能量直接转换器表面。在这些表面附近，也存在着温度比较低的等离子体，即所谓边界层。但在反应室的中心存在着几百万度以至于几千万度、几亿度以上的高温等离子体，从中辐射出高能粒子和各个频段的电磁波。在聚变堆中，还有像高能中子以及 α粒子等这样的热核反应产物。这些粒子和辐射到达固体表面，产生各种形式的作用。

在受控热核聚变实验装置和聚变堆中，这种等离子体和表面的相互作用产生两方面的影响。首先，这一相互作用使大量不能参加核反应的杂质离开表面，进入等离子体，造成污染。这不但降低了反应粒子的浓度，而且冷却了等离子体，使反应速率降低，甚至停止。其次，这一相互作用对反应室的器壁造成损伤，缩短其使用寿命。因此，必须对这种相互作用过程进行研究和控制。

等离子体和表面的相互作用主要有以下一些基本过程。

（1）吸附和解吸。在等离子体装置中，由于放电对表面的活化作用，表面可能对气体发生强烈的吸附。而在等离子体作用下，可能发生热解吸、电子解吸和光解吸。

（2）蒸发。即固体表面接受来自等离子体的能量而熔化、蒸发。

（3）溅射。当离子或中性粒子入射到表面时，它的一部分能量传给少数靶原子，其中有些在点阵达到热平衡之前发射出去，这就是溅射。溅射是阈值性的，即当入射粒子的能量大于某一阈值（通常为5～50eV）时，才出现溅射。

（4）化学溅射。发生在等离子体装置表面的化学过程。主要是由于表面催化作用引起的。当粒子入射到表面后，在表面进行化学反应生成挥发性产物而释放。这个过程称为化学溅射。

（5）背散射、再发射和植入。当离子或中性粒子入射到固体内后，它与固体内原子碰撞，逐渐失去原来的能量。之后可能产生两种结果:或者还残留一部分能量，从固体表面发射出去，这就是背散射；或者与固体原子达到热平衡，逐渐扩散到表面，再发射出去，这就是再发射。这些粒子，特别是能量较高时，沿固体深度形成一个分布，称为植入。

（6）起泡。当有一定能量的气体离子在固体内一定深度植入，并逐渐积累，若其剂量达到一定程度，就在表面附近形成气泡，并逐渐增大，之后破裂。在有些情况下，表现为起片，形成洞或海绵状表面结构。由于氦气在固体内的扩散率很低，所以这些现象主要是氦离子（α粒子）造成的。

（7）等离子体鞘和单极弧。在等离子体和固体表面接触处，由于等离子体中的电子有较离子高得多的热速度，所以入射到壁的速率也高，这样，表面就积累负电荷，因而排斥电子，吸引离子，直到二者入射速率一致。因此，等离子体存在着对壁呈正电位的等离子体鞘。如果壁上有一点发射电子，就会击穿而形成弧。弧的形成降低了鞘的电位，电子又从其他部位回到壁上，壁同时作为正极和负极，故称单极弧。

此外，尚有次级电子发射，分子、原子在边界层中的离解、电离、电荷交换等基本过程。

以上这些基本过程可分为两类。一类是导致轻杂质(氧、碳等)进入等离子体的机制；另一类是导致重（金属）杂质进入等离子体的机制。至于工作气体，也经历了入射到壁、再释回等离子体的过程，一般称为气体循环。

对于等离子体和表面相互作用的研究可分为两个方面。理论工作主要致力于对一些过程的理解。如对溅射、起泡、单极弧、气体循环、边界层等现象建立相应的物理模型，并试图在物理参量间给出定量关系。

实验工作又可分为两类。一类是聚变堆中的某一过程的模拟，即以单能或多能的粒子或辐射入射到固体表面，测量这些基本过程在不同条件下的粒子产额（即释出粒子数比入射粒子数）。

另一类实验工作是观察和研究在受控热核聚变研究装置中的表面过程。在这些实验中，经常用引入一些杂质或工作气体的同位素，以及改变固体表面材料等研究方法。在诊断方面，除了常规的等离子体诊断方法和光谱、质谱、激光散射、静电探针、高速照相以外，还专门发展了用可调频的染料激光得到荧光光谱来测量边界层的杂质原子密度。另一种被广泛采用的诊断方法是用表面物理诊断技术作实地测量。这种方法系把模拟壁的样品引入受控聚变实验装置内，待其接受了等离了体辐射的粒子后，送入与装置相连的分析室内，再用解吸、核反应，以及俄歇谱仪、次级离子谱仪、软X线出势谱仪等表面分析仪器测量这些粒子的成分。

对受控热核聚变装置中等离子体和表面相互作用的研究目的是对这种作用进行控制，以减少其危害。已提出或已进行试验的控制方法很多，主要有：

（1）反应室壁和孔阑材料的选择。

（2）反应室壁处理。例如放电清洗，喷镀活性金属。

（3）偏滤器。偏滤器用磁场来限制等离子体的位置。在附加线圈的电流磁场作用下，在某一磁分界面外的磁力线不闭合，而把等离子体引到一个偏滤室，带电粒子在此被中性化和抽走。偏滤器可用来减小等离子体和壁的相互作用并避免了固体孔阑。

（4）冷气体包层。即在高温等离子体和壁之间形成一层比较密的低温等离子体作为屏蔽，来减少它们之间的相互作用。

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