ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2013, том 39, № 8, с. 704-711
= СТЕЛЛАРАТОРЫ
УДК 553.9.03,537.52
ОЧИСТКА ВНУТРЕННИХ ВАКУУМНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ УСТАНОВКИ "УРАГАН-3М" ВЧ-РАЗРЯДАМИ
© 2013 г. А. В. Лозин, В. Е. Моисеенко, Л. И. Григорьева, М. М. Козуля, А. Е. Кулага, А. И. Лысойван*, Ю. К. Миронов, Р. О. Павличенко, В. С. Романов, В. Я. Чернышенко, В. В. Чечкин и команда торсатрона "Ураган-3М"
Национальный научный центр "Харковский физико-технический институт", Харьков, Украина * Лаборатория физики плазмы —Королевская военная академия, Ассоциация ЕВРАТОМ — Бельгия, Брюссель, Бельгия e-mail: alexlozin@meta.ua Поступила в редакцию 18.10.2012 г.
Окончательный вариант получен 20.01.2013 г.
На установке торсатрон "Ураган-3М" отработан и успешно применяется метод очистки вакуумных поверхностей установки плазмой, со следующими основными параметрами: а) низкая электронная температура (порядка 10 эВ); б) достаточно высокая плотность плазмы (ne « 1012 см-3). Чистящий разряд удобен тем, что его можно проводить, используя те же антенные устройства и ВЧ-генерато-ры, которые используются для создания и нагрева плазмы в рабочих режимах, причем без какой-либо перестройки частоты антенных и генераторных ВЧ-контуров. Разряд имеет достаточно хорошую эффективность с точки зрения очистки вакуумных поверхностей. После проведения цикла очистки низкотемпературной плазмой ВЧ-разряда (примерно 20000 импульсов): а) существенно понижается интенсивность свечения примесной линии CIII; б) в рабочих разрядах достигается квазистационарный режим продолжительностью до 50 мс с плотностью плазмы ne « 1012 см-3 и радиационной электронной температурой до Те ~ 1 кэВ; в) при масс-спектральном анализе остаточного газа в камере наблюдается значительное уменьшение примесей.
DOI: 10.7868/S0367292113070056
1. ВВЕДЕНИЕ
Одним из основных препятствий для получения плотной плазмы с высокой температурой является наличие в плазме легких и тяжелых примесей [1]. Основными каналами поступления примесей в разряд обычно являются десорбция атомов или молекул примесей со стенок вакуумных камер и эрозия стенок и других конструкционных элементов при взаимодействии с ними плазмы, в результате чего в разряд поступают как легкие (углерод, кислород), так и тяжелые (состав материала стенок) примеси. Значительное количество примесей поступает в установку при вскрытиях и при выполнении работ в ней при атмосферном давлении.
Для очистки внутренних поверхностей магнитных ловушек плазмой в настоящее время используются несколько видов разряда [2]. Отличительной особенностью чистящих высокочастотных разрядов является наличие постоянного магнитного поля в плазменной установке [3]. Отметим, что эта особенность может быть использована для проведения чистки в установках со сверхпроводящей магнитной системой [4].
При высокочастотной чистке используются разные газы: азот, кислород, гелий и водород [5].
Высокая химическая активность атомов водорода способствует образованию летучих соединений, при чем этом скорость очистки пропорциональна плотности потока атомов водорода, падающих на поверхность стенок.
В пионерской работе по высокочастотной чистке [6] предложен метод чистки в малых магнитных полях на частотах порядка десяти мегагерц. Этот метод традиционно используется на торсатроне "Ураган-3М". ВЧ-разряд генерирует низкотемпературную плазму плотностью пе ~ 1012 см-3 с низкой электронной температурой. При таких параметрах плазмы происходит интенсивная диссоциация молекул водорода, а образующиеся нейтралы, покидая плазменный шнур, интенсивно бомбардируют вакуумные поверхности, которые покрыты слоями окислов материалов стенки и различными углеродосодержащи-ми пленками. В результате такой чистки удалось в рабочих импульсах достичь квазистационарного режима длительностью 3-6 мс, что не является достаточным для современного эксперимента.
Настоящая статья посвящена изучению и развитию упомянутого выше метода. Ее структура такова. Вначале приведен теоретический анализ распространения и поглощения волн в малых
магнитных полях. Затем дается описание высокочастотного нагрева плазмы в установке "Ураган-3М" и используемого в экспериментах набора диагностических средств. Далее приводятся описание чистящего разряда и экспериментальные результаты. Завершается статья обсуждением результатов и выводами.
2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛН ПРИ МАЛЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ
Поддержание ВЧ-разряда в установке существенным образом связано с возможностями распространения волн и их затухания на электронах плазмы. Поглощение ВЧ-мощности электронами обеспечивает их нагрев. При температурах электронов масштаба порога ионизации нейтральных атомов и молекул происходит ионизация нейтралов электронным ударом, которая, возмещая диффузионные потери заряженных частиц, обеспечивает стационарность ВЧ-разряда.
Магнитное поле установки в выбранном режиме в 20—30 раз меньше рабочего магнитного поля. К понижению магнитного поля наиболее чувствителен недиагональный (гиротропный) член g = -1&12 (см., например, [7]) тензора диэлектрической проницаемости холодной плазмы. Он нарастает обратно пропорционально величине магнитного поля. Благодаря этому, быстрая магнито-звуковая волна получает возможность распространяться в плазменном шнуре малых размеров. Дисперсия этой волны с учетом конечной проводимости (конечности компонента б| | = 63,3 тензора диэлектрической проницаемости) плазмы вдоль силовых линий магнитного поля имеет вид
/, 2 ,2 ч2 , 4 2
2 -(кI - М1) + к0g к± =■
,2 ,2
кп - к0 е
о е 1
,22, ■ ко g /е ||
(1)
ние волны слабее. Формула (1) отличается от известной формулы для дисперсии быстрой магнитозвуковой волны последним слагаемым в знаменателе, которое определяет затухание волны. Оно обратно пропорционально квадрату величины магнитного поля и по этой причине не столь мало, как в случае больших магнитных полей. Оценки говорят о том, что волна затухает на длине от одного до нескольких обходов тора. В последнем случае глобальные резонансы быстрой магнитозвуковой волны перекрываются не полностью.
Дисперсионное уравнение медленной волны, которая также может распространяться в таких условиях, имеет вид
к1 =-
— (к2 - ко2б±),
е 1
(2)
где к± и кц — компоненты волнового вектора по отношению к вектору магнитного поля, к0 = ю/с, 6 ± = б!!. Формула (1) справедлива, если выполне-I 2 I 2
но условие к0ец > кц . Оценки показывают, что для характерных параметров ВЧ-разряда kL = 0.3-0.5 см-1, что достаточно для распространения быстрой магнитозвуковой волны (БМЗВ) на установке "Ураган-ЗМ". Затухание волны обусловлено затуханием Ландау на электронах плазмы и электрон-ионными кулоновскими столкновениями. Для температуры электронов Те ~ 20 эВ соотношение ю/кцуТе ~ 2-5 ^Те = ^2квТе/те — тепловая скорость электронов), и затухание Ландау играет значительную роль. Отношение частоты нагрева к суммарной частоте столкновений электронов с молекулами и ионами ю/у^- ~ 30-100 велико, в результате чего столкновительное затуха-
где б ± = б11. Поскольку в плазме невысокой температуры Яе бц < 0, с учетом того, что, как правило, выполняется условие к|2 > к02б ±, волна распространяется поперек магнитного поля, когда Яе б± > 0. Это условие в холодной плазме ограничивает величину плотности плазмы сверху, и для характерных параметров ВЧ-разряда дает величину плотности, существенно меньшую, чем экспериментально наблюдаемая. Поэтому медленная волна распространяется на периферии плазменного шнура и конвертирует в ионную бернштей-новскую волну в слое, где Яе б± « 0. Условие конверсии может быть представлено, как юр1 « ю (юр1 — ионная плазменная частота). Плотность плазмы, определяемая этим условием, невелика, и конверсия осуществляется вблизи границы плазмы.
На самом деле, по мере приближения б ± к нулевому значению, к1_ нарастает, и длина волны становится порядка ионного гирорадиуса ри. Волна модифицируется, превращаясь в кинетическую, ионную бернштейновскую моду [8]. С увеличением к±ри ионный вклад в б ± уменьшается по модулю, в результате чего Яе б ± остается положительной при распространении волны в плазме с закритической плотностью, начиная с которой формула (2) дает мнимые значения к±. В малом магнитном поле В0 ~ 200—500 Гс ионный гирорадиус порядка сантиметра и поперечная длина волны того же масштаба.
Кинетическая волна чувствительна к резонан-сам на гармониках циклотронной частоты. Магнитное поле установки неоднородно, в результате чего в плазменном шнуре существует несколько резонансных зон для гармоник разной кратности. В этих зонах происходит циклотронное поглощение волны. Поскольку юс,- > к«уТ1 (здесь юс(- — ион-
140 ГГц интерферометр
Рис. 1. Внешний вид и схематическое расположение диагностик торсатрона "Ураган-3М".
ная циклотронная частота, — ионная тепловая скорость), тепловое уширение резонансных зон невелико. Вблизи этих зон к± быстро меняется, в результате чего ВКБ-приближение может быть нарушено и возможно отражение волны. Кроме циклотронного поглощения на ионах, возможно поглощение медленной волны на электронах плазмы по механизму Ландау и по столкновитель-ному механизму.
3. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ, ВЧ-КОМПЛЕКСА И ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Эксперименты проводились на установке У-3М (рис. 1), которая представляет собой трех-заходный (I = 3) торсатрон с девятью периодами (т = 9) винтового магнитного поля. Большой радиус тора Д = 100 см, средний радиус плазмы а « 12 см, угол вращательного преобразования на границе плазмы г(а)/2я « 0.3. Магнитное поле для чистящих разрядов В0 = 0.02—0.03 Тл. Вся магнитная система, включая винтовые катушки, катушки вертикального поля и опору, помещена в большую вакуумную камеру диаметром 5 м, объем которой (70 м3) более чем в 200 раз превышает объем удержания плазмы. В установке реализуется открытая винтовая диверторная конфигурация.
ВЧ-комплекс установки "Ураган-3М" предназначен для генерирования мощных высокочастотных импульсных колебаний для создания и нагрева плазмы. ВЧ-комплекс представляет собой два однотипных модуля ("Каскад"-1 и "Каскад"-2), каждый из которых является генератором ВЧ-колебаний с выходной мощностью до 5
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.