金刚石膜应用之：人造太阳
随着生活水平的提高，大众的环保意识逐渐增强，对清洁能源的追求日益凸显。

目前我国可再生能源年开发利用量仅占能源消费总量的约26%，仍有巨大的发展空间。

核能是人类最具希望的新能源之一，发达国家的核能利用率超过40%，而我国只占不到3%。

人们开发核能的途径有两条：一是重元素的裂变，如铀的裂变；二是轻元素的聚变，如氘、氚、锂等。

重元素的裂变技术，己得到实际性的应用，但重元素具有放射性，日本福岛核电站的教训让人们谈核色变。

相比之下，轻元素的聚变技术无污染，来源丰富，蕴含着巨大潜力。

氘和氚都是氢的同位素。

它们的原子核可以在一定的条件下，互相碰撞聚合成较重的原子核-氦核，同时释放巨大的核能（E=MC2）。

据计算，每升海水中含有 0.03克氘。

这0.03克氘聚变时释放出采的能量相当于300升汽油燃烧的能量。

海水的总体积为13.7亿立方公里，共含有几亿亿公斤的氘。

这些氘的聚变所释放出的能量，足以保证人类上百亿年的能源消耗。

氘-氚的核聚变反应，需要在上千万度乃至上亿度的高温条件下进行。

这样的反应，已经在氢弹上得以实现。

然而这一过程是不受控制的。

产生可控核聚变需要的条件非常苛刻。

我们的太阳就是靠核聚变反应来给太阳系带来光和热的，其中心温度达到1500万摄氏度，另外还有巨大的压力能使核聚变正常反应，而地球上没办法获得巨大的压力，只能通过提高温度来弥补，不过这样一来温度要到上亿度才行。

核聚变如此高的温度没有一种固体物质能够承受，只能靠强大的磁场来约束。

此外这么高的温度，核反应点火也成为问题。

一般通过能够输出兆瓦级功率的微波回旋管或激光实现。

目前世界上能够完成可控核聚变的装置之一是”托卡马克核聚变堆“，也称超导托卡马克可控热核聚变堆，俗称“人造太阳“，其内部温度可高达5亿度，是太阳内部温度的30多倍，由前苏联科学家于上世纪50年代发明。

2006
年，我过新一代热核聚变装置EAST首次成功完成放电实验，EAST成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。

核聚变反应堆
核聚变堆点火时需要产生与传输高达数十兆瓦的微波能量，由于产生和传输的功率很高，由于传统的蓝宝石、BeO等微波窗口材料的损耗高，热导率低，已不能满足聚变堆对微波窗口的性能要求。

高品质金刚石膜材料微波介电损耗低（蓝宝石的十分之一），热导率高（蓝宝石的50倍），成为极佳的聚变堆微波窗口材料。

国际上聚变堆技术已广泛采用了由高品质金刚石膜制造的高功率微波窗口。

国外制造的金刚石膜微波窗口
聚变反应堆用高功率微波窗口，要求金刚石膜直径达到3-6英寸，厚度超过1.8mm，同时要求金刚石膜拥有高的光学透过性、热导率以及低的介电损耗。

这些特点对金刚石膜的制备技术提出了很高的要求，目前只有采用915MHz高功率微波CVD技术才能制备出3-6英寸大面积高质量金刚石微波窗口。

令人遗憾的是，虽然早在2001年元素六就报道了其商业化的直径119mm的高功率毫米波传输窗口，但是直到今天我国仍然不具备这一能力。

据悉，2012年，为适应聚变堆技术的高速发展，我国的EAST计划向国外定购了四片金刚石膜微波窗口，合同总金额达448万元。

造成这一现状的原因是我国高功率微波CVD金刚石膜制备技术的落后。

国内近年来虽然在2.45GHz微波CVD技术方面取得了较大进展，但在915 MHz高功率微波CVD技术研究方面却一直处于空白。

直至近几年，河北省激光研究所、河北普莱斯曼金刚石科技有限公司联合北京科技大学唐伟忠教授终于成功研制了阶梯状环形天线式915MHz/75kW高功率微CVD大面积金刚石膜制备装置，并在国内首次制备了直径127mm，厚度接近1mm的高品质金刚石膜微波窗口材料，其热导率超过20W/cm·K，介电损耗小于tgδ＜10-4。

虽然这一指标能够满足部分国内金刚石膜用户需求，但是距离核聚变反应堆兆瓦级微波窗口的应用要求还有较大差距。

希望在不久的将来我们能够实现这一产品的国产化，助力国家核聚变反应堆计划的快速发展，早日实现我国清洁高效核能的大规模应用，让祖国的天更蓝，水更清，人民生活更美好。

国产大面积微波金刚石膜窗口。