Экспериментальная установка

Введение

 

Одна из наиболее меняющихся проблем в создании диагностической системы для ИТЕРа является выбор подходящего материала для зеркала. Быстрая деградация поверхности под действием излучения, бомбардировки быстрыми частицами, загрязнения являются механическими и тепловыми нагрузками на элементы оптической диагностики, находящейся в диверторной области.

Первоначально, при выборе материала зеркала, учитывается эрозия под действием бомбардировки. Далее, учитывается повышенное содержания примесей в диверторной плазме, и как следствие, загрязнение всех элементов системы оптической диагностики. Предполагаемая доза аморфной углеводородной (a-C:H) пленки, осаждаемой на первые зеркала оптической системы, будет равна 0,2 нм/мин. Углеводородная пленка прозрачна для красного и инфракрасного спектра, но она может пагубно сказаться на отражательной способности металлов с низким изначальным коэффициентом отражения. На металлы с высоким коэффициентом отражения, углеводородная пленка не повлияет столь сильно.

Для уменьшения негативного влияния загрязнения, планируется использовать зеркала из материалов с высоким коэффициентом отражения (Ag, Al) покрытых прозрачной оксидной пленкой (Al₂O₃, ZrO₂). Предполагается, что покрытие защитит зеркала от распыления и блистеринга.

 

Экспериментальные исследования

 

Основная задача исследований – изучение изменения отражательной способности зеркал, при распылении их поверхностями ионами дейтериевой плазмы.

В ходе исследований, также, определялась скорость распыления поверхности. Данная характеристика зеркала легко определяется с помощью формулы:

 

,

 

где r и S – площадь образца зеркала и плотность его материала.

При фиксированной плотности ионного тока j (А/см²) поток ионов на образец будет величиной постоянной, следовательно полученная доза D_i:

 

D_i = N_i×t,

 

где N_i– поток ионов на ед. площади, t – время экспозиции.

Таким образом, зная зависимость m(t), мы можем определить соответствие распыленной толщины h и полученной дозы D_i.

 

Экспериментальная установка

 

Эксперименты по исследованию влияния атомов перезарядки на отражательную способность зеркал проводились на установке ДСМ-2.

 

Рис. 1. – Принципиальная схема установки ДСМ-2:

1 – Баллоны с дейтерием и водородом; 2 – редукторы;

3а – пьезонатекатель; 3b – игольчатый натекатель; 4 – откачной порт;

5 – водоохлаждаемые катушки магнитного поля; 6 – тефлоновое окно;

7 – ввод СВЧ – мощности; 8 – рабочая вакуумная камера;

9 – вакуумный клапан ДУ-50; 10 – шлюзовая камера с

дифференциальной откачкой; 11 – коаксиальный шток.

 

В ДСМ-2 используется простая схема, обеспечивающая бомбардировку образцов зеркал ионами с фиксированным или широким спектром по энергиям. Принципиальная схема установки представлена на рис. 1, а на рис 2 показана схема подачи напряжения на образец.

 

Рис. 2. – Схема подачи напряжения на образец

Установка представляет собой цилиндрическую камеру, изготовленную из нержавеющей стали, длиной 0,5 м и диаметром в центральной части 0,5 м. На торцах камеры расположены водоохлаждаемые магнитные катушки. Они включены последовательно так, что образуют зеркальную ловушку (пробкотрон) с магнитной индукцией 0,5 кГс в центре камеры и 2,25 кГс в области пробок.

Камера используется, как многомодовый резонатор для СВЧ – мощности, которая вводится в камеру через тефлоновое окно, посредством прямоугольного волновода от СВЧ-генератора типа «Хазар», (на основе магнетрона М-571, с частотой 2,375 ГГц). Мощность генератора может плавно меняться в диапазоне (200¸2500) Вт. Источником ионов в эксперименте служит плазма СВЧ разряда в условиях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР), на указанной частоте при вводимой СВЧ – мощности 200-400 Вт. Плотность плазмы составляет n_e~ 10¹⁰ см ^-3, при электронной температуре Т_e» 5 эВ. В этих условиях температура ионов соответствует газу при комнатной температуре. Таким образом, установка, практически, представляет собой плазменный источник «холодных» ионов.

Откачка рабочей камеры на высокий вакуум осуществляется турбомолекулярным насосом ТМН-500 и магниторазрядным насосом НОРД-250, включенными параллельно. Вакуум в рабочей камере перед напуском рабочего газа достигает 2×10^-6 торр, в то время как давление рабочего газа во время экспозиции составляет (7¸8)×10^-5 Торр. Непосредственно перед напуском водорода (дейтерия) НОРД отключается, вакуум снижается до (4¸5)×10^-6 Торр, и поэтому примеси на момент начала экспозиции составляют около 5¸6%. Давление в камере измерялось по ионизационной лампе ПМИ-2. Эксперименты проводились при давлении 2·10^-5¸10^-3 Торр.

На рис. 3 представлена зависимость плотности плазмы n_e и электронной температуры T_e от давления в камере. Как видно из графика, температура электронов монотонно убывает с увеличением давления. Плотность электронов максимальна при давлении (7¸8)·10^-5 Торр, что является оптимальным режимом по давлению.

 

Рис. 3. – Зависимость плотности плазмы ne и электронной температуры

Te от давления рабочего газа (дейтерия)

 

На рис. 4 представлено радиальное распределение электронной температуры и плотности плазмы в области «пробки». Как видно, неоднородность плазмы не превышала ±10% в области ~10 см, это значит, что поток плазмы на тестируемый образец был однороден.

 

Рис. 4. – Радиальное распределение плотности плазмы и электронной

температуры в области «пробки»