Использование установки ДСМ-2 для моделирования поведения первых зеркал в термоядерном реакторе ИТЕР (стр. 2 из 4)
Основываясь на вышеописанных результатах, можно сказать, что для любых ПК зеркал скорость деградации коэффициента отражения будет возрастать с ростом энергии бомбардирующих ионов. Важную роль будет играть средняя энергия атомов перезарядки. По расчетам, эта энергия будет составлять 300 – 400 эВ. В таких условиях отражательная способность зеркал не может сохраняться на приемлемом уровне в течение всего срока эксплуатации реактора, если их изготавливать из ПК материалов
1.3 Аморфные зеркала
В моделирующих экспериментах было проведено сравнение при ионной бомбардировке зеркал из поликристаллических, монокристаллических и аморфных материалов. Из результатов следует, что поверхность зеркал из аморфных материалов сохраняет гладкую структуру при длительной бомбардировке.
Эксперименты проводились с тремя типами зеркал [11] изготовленными в разных местах:
1) Liquidmetal Technology Corporation (LTC)вСША
2) Институт физики твердого тела, материалов и технологий ННЦ ХФТИ (ISSPMT)
3) Hahn-Meitner-Institute (HMI) вГермании.
Зеркала прошли механическую полировку и плазменную очистку. Эксперимент проводился при следующих параметрах: ne≈1010 см-3 и Te ≤5 эВ. После бомбардировки были обнаружены неоднородности, видимые в сканирующем электронном микроскопе и в оптическом микроскопе. Эти неоднородности составляли всего лишь 1-2 % от поверхности образца и не сильно влияли на оптические свойства. SEM фотографии неоднородностей показаны на рис. 2.3, а данные микрозондового анализа показывают превалирование элементов с меньшим атомным числом, по сравнению с основной матрицей образца. Анализ других образцов также выявил образование неоднородностей.
Бомбардировка образцов проводилась ионами дейтерия и аргона. Было замечено, что все аморфные материалы поглощают большое количество дейтерия. Бомбардировка зеркал ионами дейтерия с энергиями порядка keV, привела к резкому падению отражательной способности, а также росту глубины неоднородностей.
На рис. 2.4 представлена зависимость отражательной способности от времени экспозиции ионами дейтериевой плазмы [12]. Видно, что после короткой экспозиции широким спектром энергий отражательная способность резко падает. Однако, после длительной бомбардировки образцов ионами с низкой энергией отражательная способность восстанавливается до первоначального уровня. Последующая бомбардировка высокоэнергетичными ионами снова вновь ухудшает отражательную способность, а низкими - восстанавливает. Похожее явление было замечено и на ISSPMT зеркалах. Повторяемость такого поведения отражательной способности означает, что падение отражательной способности вызвано не образованием шероховатости поверхности, а из-за каких-то химических реакций.
Заключая это короткое описание экспериментов с аморфными зеркалами, следует отметить, что исследованные аморфные зеркала содержат гидридообразующие металлы, и поэтому поглощают большое количество дейтерия во время бомбардировки ионами дейтериевой плазмы.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1 Общие сведения и цель исследований
Основная задача исследований – изучение изменения отражательной способности первых зеркал, при распылении их поверхностями ионами с широким спектром энергий (0,1-1,5) кэВ.
В ходе исследований, также, определялась скорость распыления поверхности. Данная характеристика зеркала легко определяется с помощью формулы 3.1:
, (3.1)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 Di:
Di = Ni×t, (3.2)
где Ni– поток ионов на ед. площади, t – время экспозиции.
Таким образом, зная зависимость m(t), мы можем определить соответствие распыленной толщины h и полученной дозы Di.
Ещё одна характеристика, важная для поведения зеркала, является коэффициент распыления (КР) зеркал, определяемый, как отношение числа распыленных атомов к полученной дозе:
(3.3)2.2 Экспериментальная установка
Впервые, эксперименты по исследованию влияния атомов перезарядки на отражательную способность зеркал, были проведены в ИФП ХФТИ на установке ДСМ-2 [13].
В ДСМ-2 используется простая схема, обеспечивающая бомбардировку образцов зеркал ионами с фиксированным или широким спектром по энергиям.
Принципиальная схема установки представлена на рис. 3.1,а на рис 3.2 показана схема подачи напряжения на образец.
Рис. 3.2 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 ne~ 1010 см -3, при электронной температуре Тe» 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.
Измерение состава остаточных газов проводится с помощью омегатронного анализатора ИПДО-2, при давлении в рабочей камере не хуже 10-7 Торр.
Эксперименты проводились при давлении 2·10-5¸10-3 Торр. На рис.3.3 представлена зависимость плотности плазмы ne и электронной температуры Te 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.
На рис.3.4 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.
Специфика установки ДСМ-2 позволяет подавать на образец отрицательное напряжение двух типов: постоянное (0,1-1,5 кВ) и пульсирующее, представляющее собой суперпозицию постоянного отрицательного смещения и положительной полуволны от двухполупериодного выпрямителя. Обработка образцов (зеркал) ведется в плазменном потоке, вытекающем из магнитной ловушки вдоль силовых линий, ионами, ускоренными отрицательным потенциалом, приложенным к образцу.
На рис.3.5 представлена временная развертка напряжения и ионного тока на тестируемое зеркало. Видно, что напряжение и ток быстро меняются в области высоких значений и медленно в области низких. Такое распределение позволяет создать поток ионов с широким спектром энергий.
Временная зависимость ускоряющего напряжения и функция распределения ионов по энергиям представлена на рис.3.6. Данная зависимость была получены путем графического дифференцирования временнóй развертки тока по напряжению. Светлыми точками на графике показана поправка, связанная с вторичной электронной эмиссией.
2.3 Результаты экспериментов с зеркалами из аморфных сплавов
Ранее, на установке ДСМ-2, были проведены работы по исследованию зеркал из аморфных сплавов, а также установлены некоторые факторы, влияющие на поглощение аморфными зеркалами водорода (дейтерия).
Были изучены эффекты при бомбардировке ионами дейтериевой плазмы аморфных зеркал (АЗ) и эакристаллизованных зеркал (КрЗ), изготовленных из сплава Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5.
На рис. 3.7 показаны результаты измерений рентгеновского дифрактометра. Видно, что зависимость относительной интенсивности отражения гамма-лучей от угла в аморфном зеркале, характеризуется "горбом", типичным для аморфной структуры. Вакуумный отжиг образца значительно изменяет результаты дифракции: вместо распространяющегося максимума на отожженном образце острые появляются пики, которые являются специфическими для кристаллизованной структуры.