学术研究报告：TOMAS等离子体设施中ECR与ECR+RF放电等离子体参数的比较分析
第一、研究作者及发表信息
本研究报告由Yu Kovtun（乌克兰国家科学中心“哈尔科夫物理技术研究所”）领衔，联合来自比利时、德国、瑞典等多国研究机构的学者（T. Wauters、A. Goriaev、S. Möller等）共同完成，发表于2021年11月的期刊《Plasma Physics and Controlled Fusion》第63卷第125023号。
第二、学术背景
研究领域与动机：
该研究属于磁约束核聚变与低温等离子体物理交叉领域，聚焦于电子回旋共振（Electron Cyclotron Resonance, ECR）放电和ECR与射频（Radio-Frequency, RF）复合放电的等离子体参数调控。研究背景基于以下需求：
1. 壁条件处理技术：大型核聚变装置（如托卡马克、仿星器）需通过等离子体清洁真空室壁以降低杂质；
2. 等离子体-表面相互作用研究：需模拟聚变边缘等离子体条件，优化材料性能；
3. 复合放电的潜力：ECR放电可高效加热电子，而RF放电可增强离子能量，结合两者可能突破单一放电的局限性。
研究目标：
首次在TOMAS（托里化磁化系统）等离子体设施中比较纯ECR放电与ECR+RF复合放电的等离子体参数（电子温度(T_e)、密度(n_e)），探索复合放电对参数调控的灵活性。
第三、研究流程与方法
1. 实验装置与诊断工具
- TOMAS设施：准环形真空室（小半径0.26 m，大半径0.78 m），配备2.45 GHz ECR系统（功率0.6–6 kW）和25 MHz RF系统（功率≤6 kW）。
- 诊断工具：
- 三重朗缪尔探针（Triple Langmuir Probe, TP）：自主设计的可移动探针系统，测量(T_e)和(n_e)径向分布，无需RF补偿，简化数据处理（公式1-2）。
- 单探针（Single Probe, SP）：作为对照，验证TP数据可靠性（表1显示误差在±30%内）。
2. 实验设计
- 气体与磁场：使用高纯氦气（He），磁场强度0.0876 T（满足ECR条件）；RF频率25 MHz设定为高次谐波模式（HCH），避免基频离子回旋共振。
- 放电流程：
- 阶段1（2秒）：仅ECR放电，形成初步等离子体；
- 阶段2（2秒）：叠加RF功率（86–725 W），形成复合放电。
- 参数扫描：在不同初始气压（3.8×10⁻² Pa、2.7×10⁻² Pa）和微波功率（~1 kW、~2 kW）下进行5组扫描（表2）。
3. 数据分析方法
- 时间分辨与径向分布：提取准稳态时间区间（Δ𝑡₁、Δ𝑡₂），计算(T_e)、(n_e)的平均值及等离子体压力（(n_eT_e)）。
- 波传播理论：结合上杂化共振（Upper Hybrid Resonance, UHR）和慢波/快波（SW/FW）传播条件（公式5-13），解释功率吸收机制。
第四、主要结果
1. 纯ECR放电特性
- 参数范围：(T_e)最高13.1 eV，(n_e)达1.3×10¹⁷ m⁻³（微波功率~2 kW，低气压时）。
- 压力与功率影响：
- 降低气压会升高(T_e)（因电子-中性粒子碰撞减少）；
- 增加微波功率主要提升(n_e)，对(T_e)影响微弱（图6）。
2. 复合放电的调控效果
- 电子温度显著提升：叠加RF后，(T_e)在弱磁场区升至41.2 eV（图7a），而(n_e)略有下降（因扩散损失增加）。
- 等离子体压力优化：在r≈14–20 cm区域，复合放电的(n_eT_e)比纯ECR提高2–3倍（图7c, 9c）。
- RF功率的互补性：ECR主导等离子体生成，RF通过电子-中性碰撞和离子伯恩斯坦波转换增强电子加热（图9a）。
3. 放电机制差异
- ECR放电依赖微波多程吸收和UHR条件（式7），而复合放电中RF通过高次谐波模式加热离子并间接影响电子能量分布。
第五、结论与价值
科学意义：
1. 证实ECR+RF复合放电可独立调控(T_e)和(n_e)，为聚变装置壁处理提供新方案；
2. 揭示RF功率在弱磁场区通过HCH模式高效加热电子的物理机制。
应用价值：
- 聚变装置兼容性：现有ECR与RF系统可直接兼容，无需改装；
- 边缘等离子体模拟：复合放电可逼近聚变边缘条件（(T_e\sim40) eV），助力材料测试。
第六、研究亮点
1. 创新诊断：自主开发三重探针系统，实现RF环境下快速测量；
2. 复合放电新发现：首次在TOMAS中量化ECR+RF对等离子体参数的协同效应；
3. 理论-实验结合：通过波传播理论解释功率吸收的空间非均匀性。
其他价值：
- 为后续研究复合放电中的多电荷离子生成（如He²⁺）奠定基础（电离时间估计见原文）；
- 数据公开（Data Availability Statement）促进同行验证与应用。
总结：该研究通过精密实验与多尺度分析，确立了ECR+RF复合放电在等离子体参数调控中的优势，为核聚变与等离子体技术提供了新的实验基准和理论依据。