ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2015, № 1, с. 168-174
ЛАБОРАТОРНАЯ ^^^^^^^^^^^^^^^^ ТЕХНИКА
УДК 533.9.072
ПРИМЕНЕНИЕ ПЕННИНГОВСКОГО РАЗРЯДА ДЛЯ ОЧИСТКИ ЗЕРКАЛ В ОПТИЧЕСКИХ ДИАГНОСТИКАХ ИТЭР
© 2015 г. А. В. Рогов, Ю. В. Капустин, А. Г. Алексеев
НИЦ "Курчатовский институт" Россия, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1 E-mail: alex-rogov@yandex.ru Поступила в редакцию 04.02.2014 г.
Исследована возможность применения магнитоизолированного разряда на постоянном токе в сильном однородном магнитном поле для очистки зеркал в оптических диагностиках ИТЭР. В качестве распыляемых катодов, образующих разрядную ячейку пеннинговского типа, были использованы зеркало и смещенный вдоль магнитного поля дополнительный электрод.Рабочий газ — He, давление 20—80 мТорр, магнитное поле 0.2—0.5 Тл, напряжение разряда до 750 В. В качестве материала катодов использовали Mo и Al, а также Mo-зеркала с Al-покрытием, имитирующим Be-за-грязнение. Показано, что данная система эффективно очищает Mo-зеркала от Al-пленок толщиной до 200 нм, восстанавливая первоначальные оптические свойства зеркала. На примере Ha-диагностики предложены варианты интеграции системы очистки данного типа в узел первого зеркала для ИТЭР.
DOI: 10.7868/S0032816214060111
ВВЕДЕНИЕ
Критически важным элементом любой оптической диагностики в условиях термоядерного реактора является зеркало, принимающее излучение непосредственно из термоядерной плазмы (входное или первое зеркало). Этот элемент подвержен воздействию целого ряда негативных факторов, таких как воздействие термоядерных нейтронов, гамма- и рентгеновского излучения, атомов перезарядки, переосаждение продуктов эрозии конструкционных элементов ректора. Показано, что одним из основных механизмов деградации входного зеркала в термоядерном реакторе будет загрязнение за счет переосаждения продуктов эрозии конструкционных материалов. Основную долю загрязнений составляет бериллий — материал первой стенки [1—6]. В соответствии с регламентом работ замену внутривакуум-ных компонентов оптических диагностик международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР) предполагается проводить не чаще одного раза в 4 года. Этим обусловлены особенно высокие требования к надежности элементов всех систем. В связи с этим возникает необходимость оснастить узел входного зеркала специальной системой очистки, обеспечивающей удаление загрязнений с рабочей поверхности зеркала. В данный момент рассматриваются различные системы очистки на основе лазерной и плазменной технологий [7—9], каждая из которых имеет свои преимущества и ограничения. Из плазменных систем очистки в настоящее время
основное внимание уделяется высокочастотному разряду [8].
В данной работе исследована возможность применения магнитоизолированного газового разряда на постоянном токе в конфигурации, сходной с ячейкой Пеннинга [10], для решения поставленной задачи. В качестве одного из катодных электродов используется первое зеркало, а в качестве второго — дополнительный электрод или второе зеркало. Этот тип разряда широко применяется в вакуумных датчиках и высоковакуумных магниторазрядных откачных системах [11]. Однако магнитные поля, которые применяют в этих устройствах, на порядок меньше полей, которые будут использованы в области первого зеркала в ходе рабочего импульса установки ИТЭР.
Ниже представлены результаты исследования параметров и режимов газового разряда в подобной конфигурации и обсуждается возможность его применения для очистки поверхности молибденовых зеркал от металлических загрязнений в сильных магнитных полях (0.2—0.5 Тл) при использовании в качестве рабочего газа 4Не. Ограничение по величине магнитного поля обусловлено конструктивными возможностями использованного в ходе экспериментов оборудования. Предполагается, что в ходе проведения регламентных работ в установке ИТЭР магнитное поле будет снижаться, но не отключаться полностью, поэтому приводимые ниже результаты могут представлять практический интерес для очистки зеркал в этом эксплуатационном режиме.
Рис. 1. Схема эксперимента. 1 — подложкодержатель; 2 — зеркало; 3 — сеточный анод; 4 — магниторазрядная плазма; 5 — дополнительный электрод; 6, 8 — постоянные магниты; 7 — магнитопровод; а и Р — углы наклона катодных электродов.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования проводились на экспериментальном стенде МАВР-2, снабженном цилиндрической вакуумной камерой размерами 0350 х 250 мм и турбомолекулярной вакуумной системой откачки. В вакуумную камеру помещалась магнитная система, состоящая из двух NdFeB-магнитов размерами 100 х 100 х 40 мм и магнитопровода. Максимальное магнитное поле в зоне разряда составляет 0.5 ± 0.02 Тл. Величину магнитного поля можно было регулировать в пределах от 0.2 до 0.5 Тл за счет изменения расстояния между магнитами. Рабочая область с однородным магнитным полем составляет 50 х 50 х 50 мм. Угол наклона каждого из катодных электродов относительно магнитного поля (а, в) можно было изменять независимо. Схема эксперимента представлена на рис. 1.
Эффективность и однородность распыления исследовали на катодах, изготовленных из Мо и А1. В качестве катодов использовали пластины размером 45 х 45 х 1 мм. Исследование очистки Мо поликристаллических зеркал 0 23 и толщиной 3 мм проводили на образцах с А1 — покрытием, полученным методом магнетронного напыления, которые размещали в центре одного из катодных электродов. Алюминий использовался в роли имитатора Ве-загрязнений. В качестве анода применялись как изолированные плоские анодные электроды, ориентированные вдоль магнитного поля вне зоны разряда, так и сеточный цилиндрический электрод, находящийся под одним потенциалом с вакуумной камерой. Рабочий газ — Не. В качестве источника питания использовался магнетронный источник питания с системой дугогашения. Максимальное напряжение и ток разряда составляли 750 В и 250 мА соответственно.
Рис. 2. Характерный вид микродуговых привязок.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
При исследовании режима зажигания магни-тоизолированного разряда в Не использовали А1-катоды. Этим моделировались условия зажигания разряда на зеркалах, полностью покрытых А1-за-грязнением. Величина магнитного поля составляла В ~ 0.3 Тл, а характерный ток разряда ~100 мА при напряжении 500—600 В. При напряжении разряда и = 700 В минимальное давление Не, при котором разряд горел устойчиво, составило ~2 • 10-2 Торр. При зажигании разряда наблюдались множественные микродуговые "привязки" в виде ярких искр на поверхности катодных электродов с характерным временем жизни порядка десятых долей секунды. Над искровой привязкой формируется светящаяся область в виде тонкого жгута, которая повторяет форму магнитной силовой линии, проходящей через катодное пятно. В большинстве случаев на противоположном катоде, в точке его пересечения с данной силовой линией, также формируется искровая привязка. Благодаря магнитному полю положение микродуги стабилизируется — дуга не перемещается по поверхности катода. При взаимно параллельном расположении катодов микродуговые привязки равномерно распределены по поверхности электродов. Характерный вид разряда в этой стадии показан на рис. 2.
Поскольку диаметр области микродуговой привязки мал, а эмиссионные электроны сильно замагничены и движутся вдоль магнитной силовой линии с малым ларморовским радиусом, это приводит к интенсивной ионизации и возбуждению газа вдоль магнитной силовой линии, что обеспечивает ее "визуализацию".
Исследование поверхности катодов после очистки показало, что в режиме микродуговых привязок наблюдается неоднородная эрозия по-
Рис. 4. Стационарный режим ионного травления.
Рис. 3. Микрофотография поверхности зеркала после воздействия микродуговых привязок. Увеличение 200х.
верхности, характерная для вакуумно-дугового испарения. На рис. 3 представлены результаты исследования поверхности Мо-зеркал с А1-по-крытием толщиной ~ 100 нм после воздействия микродуговых разрядов на поверхность. Светлые участки на фотографии соответствуют очищенным от А1 зонам воздействия микродуговых привязок. Край этих зон имеет характерный наплыв (утолщение) с внедрениями округлой формы в виде застывших капель. Вокруг следов от привязок на поверхности покрытия также наблюдаются застывшие капли расплавленного А1. В зоне воздействия микродуги происходит мгновенный перегрев А1-покрытия, носящий взрывной характер, с частичным разбрызгиванием расплава в виде капель, испарением и частичной ионизацией испаренного материала. Вследствие большой разницы в температурах кипения Мо и А1 (4885 и 2740 К) и остывания поверхности подложки в первую очередь происходит испарение А1, и температура Мо-подложки не поднимается до температуры плавления молибдена. При застывании расплава на границе микродуговой привязки формируется краевой наплыв (см. рис. 3), обусловленный движением расплавленного слоя из области дуги под действием давления пара и сил поверхностного натяжения. В ходе этих процессов в зоне воздействия микродуги происходит локальная очистка поверхности Мо-подложки от А1-покрытия. За счет очистки поверхности количество ярких искр (микродуг) со временем сокращается. Разряд постепенно переходит в стационарный режим, для которого характерно равно-
мерное свечение межкатодного промежутка и равномерное травление поверхности за счет ионного распыления. Характерный вид разряда в этом режиме представлен на рис. 4.
Микрофотографии поверхности зеркала после распыления А1-покрытия в стационарном режиме (глубина травления равна первоначальной толщине покрытия) представлены на рис. 5.
Из-за того, что размеры микрокапель и толщина краевого утолщения в зоне привязок много больше первоначальной толщины покрытия, после распыления А1-покрытия на поверхности зеркала остаются характерные остаточные загрязнения в виде капель и их агломератов, по форме повторяющих контур зоны воздействия дуговой привязки. Это хорошо видно на представленных фотографиях. Для их полного удаления требуется продолжительный процесс распыления после удаления основного покрытия. Но при этом происходит распыление основного материала зеркала на очищен
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.