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面向等离子体元件（Plasma facing component,PFC）对确保现有及将来Tokamak聚变堆高参数稳态运行起关键性作用,因为在聚变堆运行过程中,装置内壁会暴露在来自芯部等离子体的高能粒子流及强热流辐照中,引起燃料滞留、杂质形成、起泡、共沉积等一系列问题。研究用于大型聚变堆的面向等离子体材料,需要将材料置于接近甚至超过聚变堆设计极限的等离子体环境中进行测试,如何在实验室中模拟边界等离子体环境,成为了相关问题的研究关键。为了在实验室条件下研究等离子体与材料相互作用过程,课题组在苏州大学自行设计并搭建了两台线性螺旋波等离子体装置:强磁场螺旋波实验装置（High Magnetic field Helicon eXperiment,HMHX）以及永磁螺旋波等离子体-材料相互作用实验装置（Permanent-Magnet Helicon source for plasma-material Interaction eXperiments,PMHIX）,与大型Tokamak装置相比,HMHX和PMHIX装置具有以下优势:等离子体参数可控性高、可长时间稳态运行、装置可改性高（针对不同物理问题）。首先尝试利用这两台线性装置模拟聚变堆第一壁及偏滤器等离子体环境。利用Langmuir探针、EQP等离子体分析仪、热流探针等诊断方法研究Ar螺旋波等离子体的基本参数:电子密度ne、电子温度Te、电子能量分布函数EEDFs、离子能量分布函数IEDF、离子通量r及热通量q。通过调节磁场大小及基片台位置,利用13.56MHz/2kW功率源,装置能够获得高参数稳态Ar等离子体束流（离子通量r:1020-1022m-2s-1,电子密度ne:1018-1020m-3）。通过调节气体流量,基片台位置以及基片台负偏压,能够获得热通量高达1MW m-2的离子束,接近ITER偏滤器等离子体设计参数的十分之一。利用获得的高参数螺旋波等离子体开展等离子体-材料相互作用（Plasma material interaction,PMI）相关问题研究,具体如下:1、螺旋波等离子体对壁材料中滞留杂质的清除效率研究:通过改变氮氩流量比N2/（N2+Ar）（a）,可以对氮氩混合螺旋波等离子体中的氮原子离子（N+）和氮分子离子（N2+）的离子通量和能量分布进行控制。电子碰撞离化使得等离子体中存在大量的亚稳态Arm*离子,AxM*离子的存在能促进N2的离化及N+和N2+的产生,当a为0.5时,Arm*达到最大值,N+离子的密度和通量达到最大值,分别为2.5 X 1018 m-3和8.6 ×1021 m-2s-1。研究还发现,氮原子离子（N+）和氮分子离子（N2+）的密度比[N+]/[N2+]主要受电子密度ne的影响,受电子温度Te影响不大。EQP诊断结果显示,我们在HMHX装置上成功获得了马赫数为3的超音速螺旋波N+离子束流。随着a的增加,N+离子束能量从30eV增加到50eV,这是因为a的增加能导致电子温度和电势梯度的增加,从而增加离子束能量。用高参数的氩氮混合等离子体对钨样品进行掺氮处理,并研究Ar螺旋波等离子体对滞留在钨材料中氮杂质的清洗效率。结果显示,Ar螺旋波等离子体对钨样品中氮的平均清除效率为1.1×1024 N2m-h-1,于传统等离子体壁清洗方法（ICRF）。实验结果显示将HWP壁处理技术应用在大型聚变堆上具有可行性。2、氢在面向等离子体材料（本文中主要是钨）中的滞留和循环:利用PMHIX装置获得了持续稳态的D-HWP束流,并用其对钨样品进行辐照处理,结合TDS分析,研究He掺杂、磁场以及基片台偏压对D在钨样品中滞留的影响。研究发现,5%的He掺杂（（nHe+）/ne=5%）能够将钨样品中总的D滞留量减少近37%。研究还发现,对钨样品进行He螺旋波等离子体预辐照处理（离子积分通量:1.0 × 1024m-2）,能够使总的滞留量从7.30 × 102Dm-2大幅降低到2.44 × 1020DDm-2。通过调节基片直流偏压和磁场线圈电流,能对轰击钨样品的离子能量（受基片偏压影响）和离子通量（与等离子体密度相关）进行独立控制。在此基础上,研究了离子能量和离子通量对D在钨样品中滞留的影响。基于在HMHX和PMHIX装置上的台面实验研究基础,课题组与中科院等离子体物理研究所合作,推进了在全超导Tokamak装置EAST上的螺旋波等离子体壁处理实验。第六章中,利用13.56MHz/5kW和27MHz/50kW 射频功率源,成功在环向磁场条件下实现EAST螺旋波等离子体放电,获得了环向相对均匀但极向明显向低场侧偏移的螺旋波等离子体。实验重点研究了不同放电参数（环向磁场大小、射频功率以及脉冲宽度）对螺旋波等离子体壁清洗效果的影响。结果显示,He螺旋波等离子体对滞留在壁材料中的H、D有明显的清除作用（D主要以HD的形式析出）,氢D的放气率随着射频功率的增加而增加,在射频功率为15kW时达到最大值,继续增加射频功率,放气率基本不变。此外,杂质气体的放气率随着脉冲宽度的增加先增加后减小,脉冲宽度为2s时达到最大,继续增加脉冲宽度,放气率缓慢降低。He-HWP对氢的清洗效率明显高于He-ICRF。清洗实验中,利用CCD相机、发射光谱仪和静电探针研究螺旋波等离子体参数的变化。