На правах рукописи

ВАСЕНИН СЕРГЕЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

ФОРМИРОВАНИЕ ЭКРАНИРУЮЩЕГО СЛОЯ И

ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА ЭНЕРГИИ ПРИ

ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ИНТЕНСИВНЫХ ПОТОКОВ

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ С

ТВЕРДОТЕЛЬНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

01.04.08 – физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2008

Работа выполнена в Государственном научном центре РФ Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований

Научный руководитель:

Сафронов с.н.с., кандидат физ.-мат. наук, Валерий Михайлович ГНЦ РФ Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований

Официальные оппоненты:

Ковальский профессор, доктор физ.-мат. наук, Николай Григорьевич ГНЦ РФ Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований Савелов профессор, доктор физ.-мат. наук, Александр Сергеевич Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

Ведущая организация – Институт ядерного синтеза Российского Научного Центра «Курчатовский институт», г. Москва

Защита состоится «_» 2008 г. в _ часов минут на заседании Диссертационного Совета Д 212.156.06 в Московском физико-техническом институте по адресу: 117393, г. Москва, ул. Профсоюзная, д. 84/32, к. В-2.

Отзывы направлять по адресу: 141700, г. Долгопрудный, Московской обл., Институтский переулок, д.9, МФТИ, диссертационный совет Д 212.156.06.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ.

Автореферат разослан «_» 2008 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.156. кандидат технических наук / Чубинский Н.П. /

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Научный и практический интерес к изучению взаимодействия интенсивных потоков высокотемпературной плазмы (ИПВП) с твердотельными материалами резко возрос в начале 90-х гг. XX в. в связи с так называемой проблемой «срывной эрозии» материалов в токамаке-реакторе ИТЭР.

Выполненные в то время расчёты и имитационные эксперименты показали, что во время тепловой стадии токового срыва величина эрозии диверторных пластин токамака может достигать величин, совершенно неприемлемых с точки зрения жизнеспособности проекта ИТЭР - крупнейшего международного проекта в области управляемого термоядерного синтеза. Стало ясно, что реализуемость проекта во многом зависит от того, можно ли гарантировать приемлемую величину эрозии диверторных пластин во время срывов; в противном случае необходимо обеспечить работу токамака совсем без срывов.

Ни одна из экспериментальных установок не в состоянии в полном объёме воспроизвести условия облучения мишеней, которые будут иметь место при срывах в ИТЭР. Более того, сами эти условия на сегодняшний день остаются в большой степени неопределёнными. В данной ситуации задача экспериментального моделирования срыва в ИТЭР на других плазменных установках может быть сформулирована следующим образом: изучение взаимодействия ИПВП с твердотельными мишенями в условиях, приближенных к условиям срыва в ИТЭР.

Особое внимание должно быть обращено на выявление параметров облучения, оказывающих наибольшее влияние на процесс взаимодействия «плазмаповерхность», и, в частности, на величину эрозии облучаемой мишени.

Наряду с потребностью экспериментального моделирования условий срыва в токамаке ИТЭР взаимодействие ИПВП с твердотельными мишенями представляет большой интерес с точки зрения развития физических основ плазменных технологий.

Модификация поверхности материалов традиционно является одним из эффективных методов улучшения их потребительских свойств. В последнее время, наряду с модификацией материалов традиционными способами (механическими, химическими, химико-термическими, электрохимическими), всё более широкое распространение получают электрофизические методы обработки, в том числе обработка материалов ИПВП. Большинство работ, ведущихся в этой области, сосредоточено на изучении структурных изменений поверхностного слоя материала, обработанного потоками плазмы, и эмпирическом подборе условий облучения, дающих необходимый эффект. Вместе с тем, представляется важным исследование не только самой поверхности, но и приповерхностного плазменного слоя, поскольку от его характеристик зависит передача энергии от потока плазмы к облучаемой мишени.

Знание механизмов переноса энергии к поверхности и закономерностей влияния эродированного вещества на такой перенос является важным фактором для оптимизации процесса обработки поверхности, быстрого нахождения режима облучения, эффективно реализующего ту или иную плазменную технологию.

Третий фактор, влияющий на перспективность изучаемой области, связан с тем, что мишенная плазма, образующаяся при взаимодействии, является, как показали проведённые исследования, мощным излучателем в мягком рентгеновском диапазоне.

Следовательно, в исследованиях оказываются затронуты такие актуальные задачи радиационной плазмодинамики, как изучение физических принципов генерации высокояркого коротковолнового некогерентного излучения и разработка эффективных плазменных излучателей, широкополосных либо работающих в узкой области спектра. Потребность науки и промышленности в таких источниках излучения чрезвычайно велика. Достаточно упомянуть создание новых технологических процессов в микро- и наноэлектронике на основе фотолитографии высокого разрешения и рентгеновскую микроскопию живых биологических объектов в области «водяного окна» ( 23 46 A ).

Цель работы. Экспериментальное исследование процесса взаимодействия мощных потоков высокотемпературной плазмы с твердотельными материалами, определение свойств экранирующего плазменного слоя, возникающего у облучаемой поверхности, и изучение переноса энергии в этом слое; изучение воздействия коротковолнового излучения плазмы экранирующего слоя на близлежащие твердотельные материалы.

Основные задачи

, решаемые в рамках указанной цели.

1. Формирование интенсивных плазменных потоков водородной и дейтериевой плазмы, обеспечивающих наиболее удобный для исследования квазиодномерный характер течения плазмы при взаимодействии потоков с твердотельными мишенями.

Детальное изучение характеристик потоков водородной (дейтериевой) плазмы на двух экспериментальных установках: 2MK-200 и MK-200UG.

2. Проведение комплексных исследований процесса взаимодействия потока высокотемпературной плазмы мощностью 2 50 МВт / см 2 с твердотельными мишенями. Определение механизмов переноса энергии на мишень; определение энергии, доходящей до облучаемой поверхности, измерение эрозии. Изучение динамики приповерхностного плазменного слоя; локальные измерения электронной плотности и температуры; определение давления плазмы; исследование спектра излучения мишенной плазмы; измерение радиационных потерь из экранирующего слоя. Определение механизма экранирования облучаемой поверхности, анализ баланса энергии. Рассмотрение передачи энергии от потока в экранирующий слой, переноса во внешних областях экранирующего слоя и в приповерхностной зоне.

3. Изучение воздействия коротковолнового излучения плазмы экранирующего слоя на близлежащие материалы. Измерение потока энергии излучения на боковую твердотельную мишень. Определение эрозии, исследование излучения приповерхностной плазмы вблизи боковой мишени в мягком рентгеновском и видимом диапазонах. Анализ баланса энергии приповерхностной плазмы. Сравнение эффекта экранирования от потока плазмы и от потока излучения.

Научная новизна.

1. Исследование взаимодействия интенсивных потоков высокотемпературной плазмы с твердотельными мишенями проведено в условиях квазиодномерного движения налетающего потока и плазмы экранирующего слоя.

2. Впервые показано, что при использовании потоков высокотемпературной плазмы с плотностью мощности 2 10 6 5 10 7 Вт / см 2 возникает сильноизлучающая плазма ионов вещества мишени, обладающая температурой Te = 30 90 эВ. Коэффициент конверсии энергии плазменного потока в излучение высокотемпературной плазмы достаточно высок; эффективность преобразования энергии ёмкостного накопителя в коротковолновое излучение достигает 10%.

3. Выявлен механизм экранирования поверхности, а именно: переизлучение поступающей энергии в окружающее пространство, происходящее на ионах материала мишени. Определены способы теплопереноса в приповерхностной плазме.

4. Впервые проведено сравнение характеристик приповерхностной плазмы при облучении мишеней высокотемпературными плазменными потоками и мягким рентгеновским излучением той же интенсивности.

Практическая значимость.

1. Показано, что формирование экранирующего слоя перед поверхностью облучаемой мишени в условиях, приближенных к условиям срыва в ИТЭР, приводит к снижению эрозии поверхности на несколько порядков величины. На основе полученных экспериментальных зависимостей предложен метод для оценки величины "срывной" эрозии диверторных пластин, обусловленной их термическим испарением.

2. Полученные результаты измерений параметров плазмы экранирующего слоя широко используются для разработки и совершенствования наиболее известных расчётных кодов, призванных моделировать процессы в диверторе токамака ИТЭР при срывах.

3. Большое значение для разработки технологий обработки поверхности материалов интенсивными потоками высокотемпературной плазмы имеет вывод о механизмах переноса энергии на мишень в условиях сформировавшегося экранирующего слоя.

4. Полученные результаты свидетельствуют о возможности создания мощного источника коротковолнового излучения на основе эффективного преобразования кинетической энергии плазменных потоков, генерируемых импульсными плазменными ускорителями, в энергию плазмы, образующейся в результате эрозии облучаемой мишени из материала с большим атомным номером Z.

Защищаемые положения. На защиту выносятся:

I. Результаты измерений параметров плазмы, возникающей у поверхности твердотельных мишеней под действием импульсных (длительностью 15 35 мкс ) потоков водородной (или дейтериевой) замагниченной плазмы с характерной плотностью n 5 1015 см 3, температурой Te 150 эВ, Ti 1 кэВ и плотностью мощности в диапазоне W = 5 50 МВт / см 2. Результаты демонстрируют, что:

а) движение плазмы экранирующего слоя происходит в основном вдоль силовых линий магнитного поля; боковые потери массы экранирующего слоя относительно невелики;

б) размер и пространственная структура экранирующего слоя зависят от атомного номера Z вещества мишени и различаются для мишеней с небольшим Z (например, графита и алюминия) и для группы мишеней с большим Z (например, меди и вольфрама);

в) плазма экранирующего слоя имеет высокую электронную температуру г) давление плазмы экранирующего слоя вблизи поверхности значительно больше давления торможения налетающего потока;

д) изменение плотности мощности налетающего потока в диапазоне 5 50 МВт / см 2 слабо отражается на пространственной структуре экранирующего слоя и температуре плазмы.

II. Результаты анализа процессов в облучаемом материале и в экранирующем слое, свидетельствующие, что:

а) доля энергии плазменного потока, достигающая поверхности, уменьшается при увеличении мощности потока; при наиболее мощном из используемых потоков она составляет в зависимости от материала мишени величину от 1 15 до б) основным механизмом экранирования поверхности является переизлучение в окружающее пространство поступающей с плазменным потоком энергии;

переизлучение энергии происходит на ионах эродированного вещества мишени;

в) для мишеней с большим Z основным способом доставки энергии на поверхность облучаемой мишени является радиационный перенос;

г) относительный вклад ионного, электронного и лучистого переноса энергии в приповерхностном плазменном слое определяется расстоянием до поверхности мишени, атомным номером Z материала мишени и, в меньшей степени, плотностью мощности налетающего потока плазмы; прослеживается тенденция увеличения роли электронной теплопроводности и, затем, лучистого теплопереноса по мере приближения к поверхности;

III. Результаты исследования экранирующего эффекта в случае воздействия мягкого рентгеновского излучения интенсивностью до W = 6 МВт / см 2, длительностью 20 25 мкс, со спектром, лежащим в диапазоне 30 < < 300 A, на графитовую мишень, демонстрирующие, что:

а) до поверхности мишени доходит не более 1 5 от падающей энергии;

б) скорость эрозии поверхности мишени прямо пропорциональна мощности в) плазма экранирующего слоя имеет температуру 2 5 эВ ;

г) радиационные потери из экранирующего слоя играют доминирующую роль в энергетическом балансе взаимодействия.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих российских и международных конференциях: XXIII, XXIV, XXV, XXIX, XXX Звенигородских конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород -95, -96, -97, -01, -02); XVI Международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество (ВИПЭВ)» (Нальчик -01); XVIII, XIX, XX Symp. on Fusion Technology (SOFT) (Karlsruhe -94, Lisbon -96, Marseille -98); XXII, XXVI European Conf. on Controlled Fusion and Plasma Physics (EPS) (Bournemouth -95, Maastricht -99); XXII IEEE Conf. on Plasma Science (Madison -95); XXII, XXIII Conf. on Plasma-Surface Interaction in Controlled Fusion Devices (PSI) (St.-Raphael -96, San Diego -98); Международной конференции по открытым ловушкам (OS-98) (Новосибирск VI, VIII Украинских конференциях – школах по физике плазмы и УТС (Алушта XII, XIV Международных конференциях «Взаимодействие ионов с поверхностью» (ВИП) (Москва, -95, -97); XXIII Congress on High-Speed Photography and Photonics (Moscow -98), VII Conf. on Fusion Reactor Materials (ICFRM) (Obninsk а также на международных рабочих группах по срывной эрозии (Карлсруэ, Санкт-Петербург, Троицк -94, -96, -97, -98, -99, -00, -01) и на семинарах в ГНЦ РФ ТРИНИТИ, РНЦ “Курчатовский институт” (Москва) и Исследовательском центре Карлсруэ (ФРГ).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в виде 23 статей в российских и международных научных журналах и сборниках, 1 препринта, а также в виде тезисов докладов перечисленных выше конференций.

Личный вклад автора. Ключевые эксперименты, описываемые в работе, проведены автором самостоятельно или при его ведущем участии. Расчёты и оценки, привлекаемые для анализа и обобщения экспериментальных результатов, также выполнены автором.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 269 страницах, включая рисунка, 11 таблиц и 199 наименований в списке литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении представлено описание объекта исследования, обоснована актуальность проблемы, изложен обзор литературы по теме исследования, формулируется цель работы, описываются направления и методы решения, сформулированы защищаемые положения.

Воздействие интенсивного потока плазмы на конденсированное вещество сопровождается интенсивной инжекцией атомов мишени в плазму.

Характерной чертой воздействия на мишень потока высокотемпературной плазмы является присутствие в непосредственной близости мощного резервуара энергии (кинетическая энергия высокотемпературной водородной плазмы) и не менее мощного конвертера, способного её преобразовывать.

Конвертером служат ионы мишенной плазмы, способные, во-первых, переводить энергию из кинетической в потенциальную в процессе ионизации, и, во-вторых, переизлучать энергию в том или ином диапазоне длин электромагнитных волн. Наряду с плазменной частью рассматриваемой задачи требуется учитывать также наличие твердотельной мишени, являющейся не только приёмником энергии и импульса плазмы, но также и источником нового плазменного вещества. Таким образом, изучение данного типа взаимодействия плазмы с веществом требует рассмотрения переноса энергии в веществе в условиях, когда его температура меняется в широких пределах – от долей эВ до нескольких кэВ. Для этого необходим учёт разнородных, но взаимозависимых процессов: передачи энергии от водородной плазмы к плазме материала мишени, излучения ионов такой плазмы, переноса излучения в плотной приповерхностной плазме, испарения и ионизации вещества мишени, переноса энергии к поверхности мишени, механизмов разрушения (эрозии) поверхности мишени, теплопередачи в конденсированном веществе.

Проведённый анализ работ, посвящённых воздействию на твердотельные мишени мощных (более 0.3 1 МВт / см 2 ) импульсных потоков плазмы с энергией ионов 0.1 5 кэВ показал, что: а) несмотря на то, что эффект экранирования поверхности, заключающийся в многократном снижении энергии, доходящей до поверхности, по сравнению с падающей энергией, наблюдался в целом ряде экспериментов, подробных исследований параметров приповерхностной плазмы не проводилось; б) во всех случаях, когда измерялась температура плазмы экранирующего слоя (ЭС), не исключены были значительные боковые потери массы ЭС за счёт обтекания мишени;

в) экспериментального исследования энергетического баланса процесса взаимодействия «плазма-поверхность», сопровождающегося независимым определением роли каждого из энергетических каналов, до настоящего времени не производилось.

Для изучения переноса энергии в приповерхностной плазме наиболее прост случай, когда отсутствует обтекание мишени, как налетающим плазменным потоком, так и плазмой ЭС, и, следовательно, движение плазмы близко к одномерному. Исходя из этого, сформулированы требования к плазменным потокам, используемым для облучения мишеней, и постановке экспериментов по взаимодействию. С учётом имеющихся экспериментальных возможностей выбраны следующие условия проведения экспериментов:

1) столкновение потока с мишенью происходит в поле B = 20 25 кГс ;

2) облучение мишеней производится потоками замагниченной плазмы с числом Маха M 1.5 и параметром = 0.1 0.35 ;

3) плотность мощности налетающего потока увеличена до 10 50 МВт / см 2 (в зависимости от установки) с тем, чтобы: а) обеспечить высокий темп нагрева приповерхностной плазмы с целью получения температуры, достаточной для минимизации боковых потерь массы ЭС; б) произвести моделирование самых жёстких тепловых режимов, предполагаемых при срывах в токамаке ИТЭР;

4) характерные размеры ЭС поперёк поля выбраны максимально возможными с целью приближения ситуации движения плазмы к одномерной.

В ходе проведённого исследования излучения из ЭС выяснилось, что мишенная плазма перед вольфрамовой мишенью представляет собой довольно компактный источник излучения, переизлучающий на длинах волн = 30 300 A значительную долю энергии налетающего потока. Это дало возможность провести исследование экранирующего эффекта при тепловых потоках, сходных с плазменным облучением, но с иным переносчиком энергии – фотонами с энергией 40 400 эВ.

Первая глава посвящена описанию экспериментальных установок и средств диагностики.

Источником плазмы во всех установках служит мощный коаксиальный импульсный плазменный ускоритель МК-500 с импульсным напуском газа, осуществляемым быстродействующим электродинамическим клапаном. Режим работы ускорителя определяется давлением газа в клапане, напряжением U используемого ёмкостного накопителя и временем задержки между началом открытия клапана и подачей напряжения на электроды. В экспериментах напряжение U 0 варьировалось от 20 до 25 кВ, что соответствует изменению запасённой в накопителе энергии от 230 до 360 кДж.

Установка 2МК-200 состоит из длинной антипробочной ловушки (ДАЛ), двух ускорителей, установленных навстречу друг другу, и двух плазмопроводов для транспортировки плазменных потоков от ускорителя до ловушки. При столкновении встречных высокоскоростных ( V|| = 4 10 7 см / с ) сгустков дейтериевой плазмы в центральной части ловушки они тормозятся и термализуются, образуя высокотемпературную плазму с параметром 1.

Потеря частиц из ловушки происходит в основном за счет их диффузии в скинслой. В скин-слое плазма движется вдоль магнитного поля и уходит из ловушки преимущественно через кольцевые щели двух каспов в виде кольцеобразных потоков замагниченной плазмы. Поле в кольцевой щели равно B0 = 25 кГс.

Установка MK-200CUSP конструктивно представляет собой половину стенда 2МК-200. Для термализации потока используется магнитный барьер.

Установка MK-200UG спроектирована специально для целей облучения мишеней плазменным потоком. По сравнению с 2МК-200 увеличена плотность мощности и длительность плазменного потока, взаимодействие происходит в однородном магнитном поле, обеспечен удобный доступ диагностических средств. Ускоритель инжектирует плазменный сгусток в длинный ( 10 м ) плазмопровод, содержащий продольное магнитное поле. Величина поля в цилиндрической части равна B0 = 7 кГс, далее в конической части оно нарастает с B0 = 7 кГс до B0 = 20 кГс. В процессе движения в плазмопроводе постепенно формируются желаемые параметры плазменного потока.

Взаимодействие плазменного потока с мишенями происходит в диагностической камере, где на участке длиной около 40 см создаётся однородное поле B0 = 20 кГс.

Контроль режимов работы ускорителя осуществляется с помощью высоковольтного омического делителя и пояса Роговского. Для измерений в мишенной плазме используются:

• аппаратура томсоновского лазерного рассеяния: осветитель - рубиновый лазер (1 Дж, 30 нс ); 7-канальная система регистрации; измерения при параметре Солпитера до 1.5 ; особенность: система мгновенной калибровки ФЭУ;

• интегральный радиационный калориметр для определения интегральных по спектру и по времени радиационных потерь из ЭС: термобатарея из термоспаев; коэфф. поглощения приёмного покрытия близок к единице в диапазоне 4 A < < 12 мкм ;

• спектрометр мягкого рентгеновского (МР) диапазона: пропускающие дифракционные решётки 2000 штр. / мм и 5000 штр. / мм ; регистрация интегральных по времени спектров - на рентгеновскую плёнку Kodak-101- или на ПЗС-камеру XTE/CCD–1024TKB/1 (Princeton Instruments), спектров с временным разрешением 100 нс - на МКП-камеру;

• пироэлектрический болометр: для определения мощности излучения, проходящего через облучаемую плазмой кварцевую мишень; детектор – из ниобата лития; измерения по дифференциальной схеме.

Помимо этого для диагностики плазмы применяются: магнитные зонды (диамагнитные пристеночные, внутренние одновитковые, либо набор внутренних миниатюрных зондов); пьезоэлектрические датчики давления;

интегральные плазменные калориметры (для измерения энергии плазменного потока); спектрометр видимого диапазона (ДФС-452); высокоскоростная фотографическая установка (ВФУ-1); рентгеновская камера-обскура;

интерферометр Маха-Цендера.

Также измеряются параметры, характеризующие процессы в облучаемой мишени: эрозия мишени (взвешивание образцов; механическая и лазерная профилометрия); скорость эрозии (интерферометрические измерения in situ на кварцевой мишени в реальном масштабе времени); поглощённая мишенями энергия (калориметры поглощённой энергии).

Во второй главе изложены результаты исследования характеристик свободных потоков плазмы, используемых в дальнейшем для облучения мишеней. Представлены данные измерений аппаратурой лазерного рассеяния, интерферометром, магнитными зондами, датчиком давления и интегральными плазменными калориметрами. На основе измеренных данных вычислена плотность мощности в плазменном потоке. Показано, что движение плазмы можно описать в бесстолкновительном приближении. Если неустойчивости в плазменном потоке и развиваются, они не приводят к столкновительному характеру течения.

На установке 2MK-200 кольцевой поток длительностью (по полуширине плотности мощности потока) = 22 мкс образует дейтериевая плазма, имеющая в кольцевой щели следующие характеристики: ne = (2 10) 1015 см 3, Te = 90 140 эВ, Ti = 100 700 эВ, скорость направленного движения u|| (1.5 2) 1017 см 3 ) плазмы непосредственно примыкает к облучаемой поверхности и имеет размер примерно 10 мм для всех исследованных материалов мишени. Размер и характеристики плазмы в области короны существенным образом зависят от атомного номера Z вещества мишени. При малых Z (например, для графитовой мишени) размер короны увеличивается со скоростью (1 4) 10 6 см / c и достигает 40 см и более.

Плотность плазмы в короне равна ne = (4 10) 1016 см 3, относительная концентрация ионов мишени n составляет по оценкам n = 0.1 0.2. При больших Z (например, для вольфрамовой мишени) размер короны не превышает 4 8 см. Корона в этом случае представляет собой переходной слой между зоной плотной плазмы и заторможенным потоком водородной (или ne = (1.5 2.5) 1016 см 3, а относительная концентрация ионов материала мишени по оценкам меняется от n 0.1 до n 5 10 эВ резко падает коэффициент поглощения углеродной плазмы для МР-излучения вольфрамовой плазмы.

В отличие от поглощения, переизлучение энергии из ЭС не удаётся непротиворечиво описать, исходя из измеренных параметров ЭС. Наблюдается несоответствие между потоком энергии 3 4 Дж / см 2, переизлучаемым плазмой ЭС, и температурой Te = 2.5 эВ. При этом принимается во внимание линейчатая структура регистрируемого спектра плазмы и то, что для плазмы ЭС не выполняется критерий запирания рекомбинационного континуума.

Таким образом, экранирование поверхности не может быть обеспечено плазмой с Te 2.5 эВ. Делается вывод, что температура плазмы, по-видимому, больше, чем это следует из оценки, основанной на доминировании линий иона C +1 в спектре, и составляет порядка 5 эВ. В этом случае нужная мощность может излучиться в линейчатом спектре углеродных ионов, и нет необходимости требовать запертости континуума. При температуре плазмы Te = 4 5 эВ оказалось бы выполненным требуемое сочетание между значительным поглощением в МР диапазоне и сильным излучением в УФ диапазоне.

Предложено объяснение того факта, что наблюдаемый спектр не соответствует температуре Te = 4 5 эВ. Оно основано на том, что плазма ЭС расширяется вдоль линии наблюдения и регистрируется в основном излучение «холодных»

периферийных слоёв, в то время как линейчатое излучение центральных «горячих» частей сильно поглощается периферийной плазмой. Обобщая экспериментальные результаты, можно заключить, что под воздействием МР-излучения сплошного спектра характерные температура и плотность ЭС вблизи облучаемой мишени составляют 2 5 эВ и 1017 1018 см 3.

В конце главы приводится сравнение воздействия на мишень мощных потоков излучения в УФ диапазоне2, излучения в МР диапазоне и потоков высокотемпературной плазмы. Показано, что температура приповерхностной плазмы и механизм экранирования поверхности определяются длиной торможения частиц (или поглощения квантов) в образующейся мишенной плазме и излучательной способностью этой плазмы. Для УФ излучения ввиду малого коэффициента поглощения квантов с > 1500 A высока скорость эрозии, поэтому велика плотность, мала температура плазмы ЭС ( T 1 эВ ) и роль радиационных потерь в экранировании незначительна. При воздействии МР-излучения характерный коэффициент поглощения квантов значительно больше, поэтому скорость эрозии и плотность существенно ниже. Температура, как показано выше, устанавливается такая, что работает излучательный механизм экранирования поверхности. При плазменном воздействии длина торможения частиц много меньше, чем длина поглощения рентгеновских квантов. Поэтому оценка температуры плазмы ЭС не может быть сделана, исходя из требования, что плазменный поток должен тормозиться в плазме ЭС.

Как показали эксперименты, температура плазмы ЭС устанавливается достаточно высокой и для всех мишеней превышает 50 эВ. Механизм экранирования поверхности при этом является преимущественно излучательным.

обоснована их практическая значимость.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

I. Изучены характеристики потоков водородной и дейтериевой плазмы на экспериментальных установках 2MK-200 и MK-200UG. Показано, что потоки, движущиеся в продольном магнитном поле B 20 25 кГс, имеют характерные параметры: плотность - n 5 1015 см 3, температуру - Te 150 эВ, Ti 1 кэВ, длительность - 15 35 мкс, плотность мощности - W = 5 50 МВт / см 2.

II. Проведены исследования процесса взаимодействия потока водородной (или дейтериевой) высокотемпературной плазмы мощностью 2 50 МВт / см 2 с твердотельными мишенями из различных материалов, установленными перпендикулярно к потоку.

1. Показано, что возле поверхности всех исследованных мишеней за время менее 1 2 мкс формируется слой мишенной плазмы, эффективно экранирующий поверхность от прямого воздействия налетающего потока в На основе данных, приведённых в монографии Цикулина М.А. и Попова Е.Г.

«Излучательные свойства ударных волн в газах», М., Наука, 1977.

последующие 15 35 мкс, т.е. в течение основной части процесса взаимодействия.

2. Ключевой характеристикой слоя мишенной плазмы является его высокая температура, достигающая Te = 30 90 эВ (при плотности плазмы ne = (5 15) 1016 см 3 ) и предопределяющая многие важные свойства плазмы экранирующего слоя, в т.ч. спектр излучения, удержание магнитным полем, механизмы переноса энергии. Высокая температура зафиксирована для мишенной плазмы, содержащей как ионы с небольшим атомным номером Z (графит), так и очень большим Z (вольфрам).

3. Обнаружено, что наличие сильного внешнего магнитного поля и высокая температура плазмы обеспечивают движение плазмы экранирующего слоя преимущественно вдоль силовых линий внешнего магнитного поля. Боковые потери плазмы, участвующей в экранировании, невелики.

переизлучение поступающей энергии в окружающее пространство.

Переизлучение происходит на ионах материала мишени. Характер пространственного распределения радиационных потерь слабо зависит от параметров налетающего потока и определяется, главным образом, атомным номером материала мишени.

5. Обнаружено, что в зависимости от условий эксперимента энергия, доставляемая водородным потоком в экранирующий слой, может увеличиться или уменьшиться по сравнению со свободным потоком.

Предложены объяснения наблюдаемых эффектов на основе особенностей формирования электрического потенциала плазмы на установках с касповой геометрией и на основе предположения об отражении части ионов потока от ионов мишенной плазмы.

6. Перенос энергии в экранирующем слое осуществляется за счёт конвективного ионного, а также электронного и радиационного теплопереноса. Относительная роль того или иного механизма определяется расстоянием до поверхности мишени, атомным номером материала мишени и, в меньшей степени, плотностью мощности налетающего потока плазмы.

7. Показано, что доля энергии плазменного потока, достигающая поверхности, уменьшается при увеличении мощности потока. При наиболее мощном из используемых потоков она составляет в зависимости от материала мишени от 1 15 до 1 200. С уменьшением плотности мощности налетающего потока механизм формирования экранирующего слоя, по-видимому, меняется с термического поверхностного испарения на физическое распыление. При сформировавшемся экранирующем слое испарение поверхности происходит в условиях, близких к равновесным:

параметр неравновесности ( jvap jcond ) / jvap составляет 0.02 0.1.

8. Показано, что для мишеней с большим Z главным механизмом доставки энергии на поверхность облучаемой мишени является радиационный перенос. Для мишеней с небольшим Z энергия на поверхность переносится как квантами (в ближнем УФ и ВУФ диапазонах), так и электронами.

III. Исследовано взаимодействие мягкого рентгеновского излучения мощностью до W = 6 МВт / см 2 со спектром, лежащим в диапазоне 30 < < 300 A и близким к сплошному, с графитовой мишенью. Проведено сравнение результатов экспериментов по облучению мишеней потоками высокотемпературной плазмы и мягкого рентгеновского излучения аналогичной мощности.

1. Показано, что эффект экранирования проявляется независимо от того, производится облучение мишени квантами мягкого рентгеновского излучения или частицами высокотемпературной плазмы.

2. Обнаружено, что при воздействии излучения скорость эрозии поверхности мишени прямо пропорциональна мощности излучения. Для сравнения, при воздействии плазменного потока скорость эрозии слабо зависит от мощности.

3. При воздействии излучения плазма экранирующего слоя имеет температуру 2 5 эВ и плотность ne =1017 1018 см 3. В случае плазменного облучения с равным потоком энергии температура во много раз выше, а плотность - ниже.

4. Радиационные потери из экранирующего слоя играют доминирующую роль в энергетическом балансе взаимодействия. Данный вывод справедлив независимо от того, доставляется энергия в экранирующий слой рентгеновскими квантами или частицами плазмы.

5. Характеристики плазм, образующихся у мишени в результате воздействия мощных потоков высокотемпературной плазмы, излучения в ультрафиолетовом диапазоне и излучения в мягком рентгеновском диапазоне, существенно отличаются друг от друга. Наблюдаемое отличие можно объяснить разной длиной торможения налетающих частиц (или длиной поглощения воздействующих квантов) в мишенных плазмах и разной излучательной способностью этих плазм.

Полученные результаты представляют большой практический интерес в таких актуальных областях науки и техники, как:

I. моделирование процессов в диверторной камере токамака-реактора ИТЭР на тепловой стадии срыва;

II. разработка плазменных технологий модификации материалов;

III. разработка высокоярких источников некогерентного коротковолнового излучения.

Основные публикации автора по теме диссертации:

1. Arkhipov N., Bakhtin V., Safronov V., Toporkov D., Vasenin S., Wuerz H., Zhitlukhin A., Plasma-materials interaction under simulated disruption conditions // Fusion Technology-1994;

Eds.: K.Herschbach, W.Maurer, J.E.Vetter; Amsterdam: Elsevier, 1995, vol. 1, p. 463.

2. Arkhipov N., Bakhtin V., Safronov V., Toporkov D., Vasenin S., Wuerz H., Zhitlukhin A., Plasma temperature measurements in disruption simulated experiment // Fusion TechnologyEds.: K.Herschbach, W.Maurer, J.E.Vetter; Amsterdam: Elsevier, 1995, vol. 1, p. 395.

3. Arkhipov N., Bakhtin V., Safronov V., Toporkov D., Vasenin S., Wuerz H., Zhitlukhin A., Experimental simulation and numerical modeling of vapor shield formation and divertor material erosion for ITER typical plasma disruptions // Journal of Nuclear Materials, 1995, v.220-222, p.1066.

4. Архипов Н.И., Бахтин В.П., Васенин С.Г., Житлухин А.М., Куркин С.М., Сафронов В.М., Топорков Д.А.Радиационные потери приповерхностной плазмы в условиях, характерных для срывов в токамаке // Препринт ТРИНИТИ 0011-А, М.:

Центратоминформ, 1995.

5. Arkhipov N., Bakhtin V., Kurkin S.M., Pestchanyi S.E., Safronov V., Toporkov D., Vasenin S., Wuerz H., Zhitlukhin A., Study of plasma target interaction under plasma stream power density of 40 MW/cm2 // Fusion Technology-1996; Eds.: C.Varandas, F.Serra; Amsterdam: Elsevier, 1997, vol. 1, p. 507.

6. Arkhipov N., Bakhtin V., Bazylev B., Landman I., Safronov V., Toporkov D., Vasenin S., Wuerz H., Zhitlukhin A., Plasma/surface interaction in ITER tokamak disruption simulation experiments // Fusion Technology, 1997, v.32, no.1, p.45.

7. Arkhipov N., Bakhtin V., Kurkin S., Safronov V., Toporkov D., Vasenin S., Zhitlukhin A., Study of graphite erosion under lateral radiation from target plasma // Fusion Technology-1998;

Eds.: B.Beaumont et al.; Amsterdam: Elsevier, 1999, vol. 1, p. 105.

8. Архипов Н.И., Васенин С.Г., Сафронов В.М., Житлухин А.М., Половцев Н.А., Топорков Д.А., Многокадровая МКП-камера для МР и ВУФ спектроскопии мишенной плазмы // Приборы и техника эксперимента, 1998, №1, с.128.

9. Архипов Н.И., Васенин С.Г., Бахтин В.П., Житлухин А.М., Куркин С.М., Сафронов В.М., Топорков Д.А., Температура экранирующего слоя при взаимодействии высокотемпературной плазмы с поверхностью твердого тела // Физика плазмы, 1998, т.

24, №4, с.340.

10. Arkhipov N., Bakhtin V., Kurkin S., Toporkov D., Safronov V., Vasenin S., Wuerz H., Zhitlukhin A., Study of plasma-material interaction under high heat flux // Problems of Atomic Science and Technology; Series “Plasma Physics”, no.1-2, 1999, p.121.

11. Arkhipov N., Bakhtin V., Hunter J., Kurkin S., Rockett P.,Toporkov D., Safronov V., Vasenin S., Zhitlukhin A., Absolute VUV spectroscopy of an eroding graphite target using a calibrated CCD camera // Journal of Nuclear Materials, 1999, v.266-269, p.751.

12. Архипов Н.И., Васенин С.Г., Бахтин В.П., Житлухин А.М., Куркин С.М., Сафронов В.М., Топорков Д.А., Формирование экранирующего слоя при облучении твердотельных материалов мощными плазменными потоками // Физика плазмы, 1999, т. 25, №3, с.263.

13. Arkhipov N., Bakhtin V., Kurkin S., Toporkov D., Safronov V., Vasenin S., Wuerz H., Zhitlukhin A., VUV radiation during plasma/surface interaction under plasma stream power density of 20 40 MW/cm2 // Problems of Atomic Science and Technology; Series “Plasma Physics”, no.6, 2000, p.97.

14. Arkhipov N., Bakhtin V., Kurkin S., Toporkov D., Safronov V., Vasenin S., Wuerz H., Zhitlukhin A., Material erosion and erosion products in disruption simulation experiments at the MK-200UG facility // Fusion Engineering and Design, 2000, v.49-50, 2000, p.151.

15. Архипов Н.И., Васенин С.Г., Бахтин В.П., Житлухин А.М., Сафронов В.М., Топорков Д.А., Измерение эрозии кварца в реальном масштабе времени в экспериментах по моделированию тепловых нагрузок на диверторные пластины при срывах в токамаке // Физика плазмы, 2001, т. 27, №3, с.243.

16. Arkhipov N., Bakhtin V., Kurkin S., Safronov V., Scaffidi-Argentina F., Toporkov D., Vasenin S., Wuerz H., Zhitlukhin A., Material erosion and erosion products under plasma heat loads typical for ITER hard disruptions // Journal of Nuclear Materials, 2001, v.290-293, p.1052.

17. Архипов Н.И., Васенин С.Г., Бахтин В.П., Житлухин А.М., Сафронов В.М., Топорков Д.А., Баланс энергии при взаимодействии интенсивных потоков высокотемпературной плазмы с материалами // Физика плазмы, 2002, т.28, №5, с.471.

18. Arkhipov N., Bakhtin V., Safronov V., Toporkov D., Vasenin S., Wuerz H., Zhitlukhin A., Plasma radiation in tokamak disruption simulation experiments // Proceedings of 22-nd IEEE Intern. Conference on Plasma Science, Madison, June, 1995, p.191.

19. Архипов Н.И., Бахтин В.П., Васенин С.Г., Житлухин А.М., Сафронов В.М., Топорков Д.А., Взаимодействие потоков высокотемпературной плазмы с поверхностью твердого тела в диапазоне плотности мощности потока от 10 до 300 ГВт/м2 // Материалы 12-й Международной Конференции “Взамодействие ионов с поверхностью”, Москва, сентябрь, 1995, том 2, с.42.

20. Архипов Н.И., Бахтин В.П., Васенин С.Г., Житлухин А.М., Куркин С.М., Сафронов В.М., Топорков Д.А., Исследование взаимодействия излучения экранирующего плазменного слоя с поверхностью твердого тела // Материалы 13-й Международной Конференции “Взаимодействие ионов с поверхностью”, Москва, сентябрь, 1997, том 2, 21. Arkhipov N.I., Bakhtin V.P., Kurkin S.M., Toporkov D.A., Safronov V.M., Vasenin S.G., Wuerz H., Zhitlukhin A.M., Interaction of high temperature plasma flowing out from long cusp trap with solid materials // Proc. of Int. Conf. on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement (OS-98), Novosibirsk, p.74.

22. Arkhipov N., Bazylev B., Kappler K., Landman I., Pestchany S., Piazza G., Safronov V., Vasenin S., Wuerz H., Plasma wall interaction in ITER tokamak hard disruptions // Proceedings of 12-th Intern. Conference on Plasma-Surface Interaction in Controlled Fusion Devices (PSISt.-Raphael, May, 1996, p.341.

23. Bazylev B., Pestchany S., Safronov V., Toporkov D., Vasenin S., Wuerz H., Lateral radiation fluxes from plasma shields, side wall erosion and MHD motion of the secondary plasma // Proc.

of 13-th Intern. Conference on Plasma-Surface Interaction in Controlled Fusion Devices (PSISan Diego, May, 1998, p.200.

24. Архипов Н.И., Бахтин В.П., Васенин С.Г., Житлухин А.М., Куркин С.М., Сафронов В.М., Топорков Д.А., Исследование излучения, проходящего через кварцевую мишень, облучаемую высокотемпературным плазменным потоком мощностью 20-40 МВт/см2 // Сб. трудов XVI международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество», Нальчик, март, 2001, с.17.