Дипломная работа: Использование установки ДСМ-2 для моделирования поведения первых зеркал в термоядерном реакторе ИТЕР

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 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.

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 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.

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 Zr₄₁ Ti₁₄ Cu_12.5 Ni₁₀ Be_22.5 .

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.

При проведении эксперимента с аморфными и кристаллизованными образцами, в одинаковых условиях, было замечено, что их поведение сильно отличается. Бомбардировка ионами аргона привела к развитию шероховатости и соответствующему уменьшению коэффициента отражения для кристаллизованных образцов, но никак не отразилась на микрорельефе или на оптических свойствах аморфных образцов.

Бомбардировка кристаллизованных зеркал ионами дейтерия привела к появлению трещин на поверхности образца (рис3.8).

На рис.3.9 показан спектральный коэффициент отражения кристаллизованного образца. После бомбардировки ионами Ar с энергией 1 кэВ, отражательная способность резко падает. Бомбардировка ионами дейтерия с энергией 1 кэВ, вызвало добавочное падение коэффициента отражения, наиболее вероятно из-за химических процессов на поверхности. Кроме того, это дополнительное снижение было фактически полностью восстановлено длительной бомбардировкой ионами дейтериевой плазмы с энергией 60 эВ. Невозможность вернуть коэффициент отражения на начальный уровень доказывает, что причина этого - поверхностная неровность, развитая из-за бомбардировки ионами Ar.

В табл. 1 приведены условия и результаты последовательных экспозиций ионами дейтериевой плазмы (энергия ионов 60 эВ, плотность ионного потока j=2.09мA/см² ) для двух образцов (АЗ – АМА-3; КрЗ – АМК-3) с одинаковым элементным составом.

Табл.1 Условия и результаты последовательных экспозиций ионами дейтериевой плазмы

Номер экспозиции	Полное время экспозиции, мин	Доза ионов 1024 ион/м2	Увеличение веса, мкг
			АМА-3	АМК-3
1	60	0.47	30	40
2	360	2.82	620	-20 (трещины на краях)
3	660	5.17	920	640
4	960	7.52	820	Разрушение образца (рис. 3.9)
5	1160	9.09	325	-
6	1460	11.45	825	-
7	1760	13.80	870	-