ПЕРВЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ

ХИМИЧЕСКОЙ ЭРОЗИИ ГРАФИТА

НА УСТАНОВКЕ ГОЛ-3

И.А. Иванов,

Команда ГОЛ-3

ленточный диод

генераторпучка У-2

гофрированноемагнитное поле

плазма соленоид выходной узел

мишень

E

B

D,C,O, …

Взаимодействие плазмы с поверхностью:• физическое распыление / отражение • химическая эрозия (CnDm) • осаждение из пристеночной плазмы• переосаждение испаренного вещества• сублимация• объемный взрыв

C, W, …CD4

Cx+,Wx+,…CDz

0,+

re-eroded / отраженные частицы

Процессы, возникающие вблизи и на поверхности приемников плазмы

Поверхность (C, W, Mo, …)

0

200

400

600

0 10 20 30 40

Ero

sion

per

sho

t, m

icro

met

ers

Energy density, M J/m2

Эрозия мелкозернистого плотного графита (МПГ-6)

Облучение графитовой мишени потоком электронно-горячей плазмы совместно с релятивистским электронным пучком приводит к взрывной (объемной) эрозии графита. Глубина эрозии зависит от плотности энергии и достигает 0.5-1 мм при 30-60 MДж/м2.

исс

лед

уем

ая

обл

асть

> 10 кДж/г

Схема эксперимента по изучению потоков молекул углеводорода в плазма-поверхность эксперименте на установке ГОЛ-3

Target in holder

наблюдение излучения

Мишень в обойме

•Химическая эрозия графита происходит за счет образования CDx, C2Dy, C3Dz и т.д.

•Сами CDx и C2Dy не излучают в видимой и УФ области

•Излучают продукты их диссоциации - CD (вместо CDx) и С2 (вместо C2Dy)

•Зная скорости процессов, цепочку диссоциации, особенности возбуждения уровней и т.д. - По спектру излучения CD и C2 можно определить потоки CDx и C2Dy, а из них определить скорость эрозии.

Возможности спектроскопии для исследования процессов химической эрозии при облучении плазмой материалов:

Химическая эрозия и диффузия углеводородов вглубь плазмы

граф

ит

D+

CnDm

e

CD

C2

v

e

e

Расстояние

h

h

D

C

C

C

e

D+

e

С+

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

D

D

D

D

e

h

Поток атомов

Интенсивность линии

=

S/XB - inverse photon efficiency (количество актов ионизации на фотон)

Для молекул: добавляется диссоциация и т.д.

Возможности спектроскопии для исследования процессов химической эрозии при облучении плазмой материалов:

Схема эксперимента по изучению потоков молекул углеводорода в плазма-поверхность эксперименте на установке ГОЛ-3

Регистрация излучения• Обзорный спектрометр;• Высокоразрешающий спектрометр с пространственным и временным разрешением

Регистрация излучения• 2D фотография через интерференционный фильтр

поток плазмы

Обзорный спектр вблизи поверхности мишени

450 500 550 600 650Д л ина вол ны, нм

0

1

2

3

Инт

енси

внос

ть,

Вт/

см2

x нм

поверхност ная плазмаPL7382PL7270PL7271PL7329PL7329, x20PL7337PL7377PL7394, С П 48PL7367, С П 48PL7371, С П 48

CII

CII

CII

C2

SW

AN

,

=+

1

C2 SW AN, =-1

C2

SW

AN

, =

0H,

1.2

Вт

H

C D

CII

H

D

DD

,

1.2

Вт

/см

2

450 500 550 600 650

Д л ина вол ны, нм

0

1

2

3

Инт

енси

внос

ть,

Вт/

см2

x нм

Обзорные спектры вблизи поверхности мишени ГОЛ-3 и JET

Identication of Molecular Carbon Sources in the JET Divertor by Means of Emission Spectroscopy

Inte

nsity

, 10

15 p

h·s-1

cm-1

530 540 550 560 570wavelength, nm

0

100

200

300

Излучение C2 Swan band (= -1) ГОЛ-3

Получено спектрометром СП-41 при изучении поверхностной плазмы при инжекции твердотельной углеродной крупинки

Энергетические уровни и колебательный спектр молекулы

B - вращательная постояннаяv и J - колеб. и вращательное квантовые числа)1()2/1(, JBJhE crot

Вращательная тонкая структура - появление полос

P - ветвь: ΔJ = -1R - ветвь: ΔJ = +1Q - ветвь: ΔJ = 0

Спектральные диапазоныразных молекулярных переходов

530 540 550 560 570wavelength, nm

0

100

200

300

Излучение C2 Swan band (= -1) ГОЛ-3Получено спектрометром СП-41 при изучении поверхностной плазмы при инжекции твердотельной углеродной крупинки

Схема диссоциации легких углеводородов вблизи приемника пучка в ГОЛ-3

CDm

CD

C2Dn

C2

C+

Gero band429-431 нм388-390 нм

Swan band507 – 516 нм

... ...

Образуются на поверхности

Фракции

Регистрируемоеизлучение Линии

Cn

Измерение двумерного распределения излучения выбранной спектральной линии

объективтелескоп

объект

Интерференционный фильтр

CCD камера

плоскийфронт

510 515 520Д л ина вол ны, нм

0

0.4

0.8

1.2

Инт

енси

внос

ть,

Вт/

см2

x нм

поверхностная пл азмаPL7329PL7394, С П 48PL7395, С П 48PL7382, С П 48Line/S ym bol P lot 16

L ine/S ym bol P lot 17

L ine/S ym bol P lot 18

PL7382PL7270PL7271PL7337PL7329, x20Swan = 0 молекулы C2 и спектральный интервал,

выделяемый фильтром для 2D-imaging

Пропускание фильтра

CII

CIICII

C2

Фотография приемника плазмы

Ми

шен

ь, М

ПГ6

плазма

PL7491, №2 PL7492 , №3PL7490, №1

Эволюция излучения C2 от номера выстрела за серию экспериментов (за один день)

Вт/

см2

PL7485, №2 PL7486 , №3

Вт/

см2

PL7488 , №5

PL7494 , №5

PL7484, №1

Радикал CD (TEXTOR):наложение линий D2: Fulcher band 3D 1П - 2P 1Σ

420 425 430 435Д л ина вол ны, нм

0

1

2

3

Инт

енси

внос

ть,

Вт/

см2

x нм

поверхностная пл азмаPL7329PL7394, С П 48PL7395, С П 48PL7382, С П 48Line/S ym bol P lot 16

L ine/S ym bol P lot 17

L ine/S ym bol P lot 18

PL7382PL7270PL7271PL7337PL7329, x20

Излучение CD радикала (ГОЛ-3)

CD

Схема диссоциации легких углеводородов вблизи приемника пучка в ГОЛ-3

XB

D

5

0.5

1050

CDm

CD

C2Dn

C2

C+

Gero band429-431 нм388-390 нм

Swan band507 – 516 нм

... ...

Образуются на поверхности

Фракции

Регистрируемоеизлучение Линии

Cn

S=1.7·10-11см3/с658.1 нм

Поток углерода с поверхности мишени, связанный с химической эрозией, считая источником C2 и CH являются молекулы этановой группы -

CD (428-432 нм) : ФС = ≈ 4·1018 см-2·с-1

C2 (507-516 нм) : ФС ≈ 3·1018 см-2·с-1

D – скорость диссоциации молекулы, X – скорость возбуждения оптического перехода, B – коэффициент ветвления, hv – энергия перехода.

Полный поток эмитируемого с поверхности углерода -

CII (658.1 нм) : ФС = ≈ 4·1020 см-2·с-1

NC – концентрация атомов углерода, SCII – излучательная способность оптического перехода, VT – тепловая скорость углерода.

•Эта величина соответствует глубине эрозии 0.01 мкм за выстрел. •Полная величина химической эрозии графита соответствует 1% глубины разрушения графитового плазмоприемника.

IdlhvXB

D 1

TeCII

CIITC V

nS

IVN

~

Эксперименты по изучению воздействия потоков плазмы на поверхность

• Зарегистрированы молекулярные спектры C2 и CD.

• Определены потоки углеводородов с поверхности плазмоприемника.

• Облучение графитового приемника потоком плазмы с плотностью энергии 2.5 МДж/м2 не приводит к существенной модификации поверхности.

• Химическая эрозия мала по сравнению с физической эрозией поверхности, составляющей 0.01 мкм за выстрел.

Выводы

Спасибо за внимание

GOL-3JET

Спектры С2 на JET (красным) и ГОЛ-3 (зеленый)

0

5

10

15

20

25

en

erg

y d

ep

osi

tion

, kJ/

g

30 M J/m

25 M J/m

14 M J/m

8 M J/m 2

2

2

2

dots - m easured erosion depth

destruction threshold

0 200 400 600 800 1000

ta rge t dep th , m

Determination of destruction threshold

The comparison of the depth dependence of the energy deposition with the graphite erosion observed in similar shots gives the graphite destruction threshold of 8-10 kJ/g.

This value is much less than the vaporisation enthalpy.

The high erosion observed at the interaction of powerful hot electron stream with targets cannot be explained by evaporation of target material. The phenomenon of the explosive erosion can be explained by volumetric heating

and phase transitions inside the material.

Budker INP

Свойства графита МПГ- 6

Давление насыщенных паров и скорость испарения графита

1500 2000 2500 3000T, ãðàä K

1E-012

1E-010

1E-008

1E-006

0.0001

0.01

1

P ï àð, àò ì R ,ã/ñì 2ñåê

1E-009

1E-007

1E-005

0.001

0.1

10

P, Òî ð

C, C2, C3

мм

/час

1

10

0,01

10-4

10-6

Identication of Molecular Carbon Sources in the JET Divertor by Means of Emission Spectroscopy

S.Brezinsek, A.Pospieszczyk, M.F.Stamp, … 2004

Молекула С2: Swan band: A 3Пg - X 3Пg, 4500 - 6200 A

Радикал CD:Gero band: A 2Δ - X 2П

Особенности:наложение примесей,

рядом линия С2

Deslandres - d’Azambuja band

Поток атомов

Интенсивность линии

=

S/XB - inverse photon efficiency (количество актов ионизации на фотон)

Для молекул: добавляется диссоциация и т.д.

Для неполного спектра перехода:

Возможности спектроскопии для исследования процессов химической эрозии при облучении плазмой материалов:

Эволюция излучения CD радикала в диапазоне 388-390 нм от номера выстрела за серию экспериментов

7496 7497 7498 7499 7500 7501№ выстрела в серии

0

40

80

120

160

Инт

енси

внос

ть,

о.е.

380 385 390 395 400длина волны , нм

1000

1200

1400

1600

Инт

енс

ивн

ость

, о.е

.

CD

Схема диссоциации легких углеводородов вблизи приемника пучка в ГОЛ-3

CDm

CD

C2Dn

C2

C+

Gero band429-431 нм388-390 нм

Swan band507 – 516 нм

... ...

Образуются на поверхности

Фракции

Регистрируемоеизлучение Линии

Cn