ПЕРВЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ ХИМИЧЕСКОЙ ЭРОЗИИ ГРАФИТА НА УСТАНОВКЕ ГОЛ-3 И.А. Иванов, Команда ГОЛ-3. - презентация

1 ПЕРВЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ ХИМИЧЕСКОЙ ЭРОЗИИ ГРАФИТА НА УСТАНОВКЕ ГОЛ-3 И.А. Иванов, Команда ГОЛ-3

2 D,C,O, … Взаимодействие плазмы с поверхностью: физическое распыление / отражение химическая эрозия (C n D m ) осаждение из пристеночной плазмы переосаждение испаренного вещества сублимация объемный взрыв C, W, … CD 4 C x+,W x+,… CD z 0,+ re-eroded / отраженные частицы Процессы, возникающие вблизи и на поверхности приемников плазмы Поверхность (C, W, Mo, …)

3 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 мм при MДж/м 2. исследуемая область > 10 кДж/г

4 Схема эксперимента по изучению потоков молекул углеводорода в плазма-поверхность эксперименте на установке ГОЛ-3 наблюдение излучения Мишень в обойме

5 Химическая эрозия графита происходит за счет образования CD x, C 2 D y, C 3 D z и т.д. Сами CD x и C 2 D y не излучают в видимой и УФ области Излучают продукты их диссоциации - CD (вместо CD x ) и С 2 (вместо C 2 D y ) Зная скорости процессов, цепочку диссоциации, особенности возбуждения уровней и т.д. - По спектру излучения CD и C 2 можно определить потоки CD x и C 2 D y, а из них определить скорость эрозии. Возможности спектроскопии для исследования процессов химической эрозии при облучении плазмой материалов:

6 Химическая эрозия и диффузия углеводородов вглубь плазмы графит D+D+ CnDmCnDm e CD C2C2 v e e Расстояние h h D C C C e D+D+ e С+С+ C C C C C C C C C C D D D D e h

7 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:

8 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

9 Обзорный спектр вблизи поверхности мишени D D D, 1.2 Вт/см 2

10 Обзорные спектры вблизи поверхности мишени ГОЛ-3 и JET Identication of Molecular Carbon Sources in the JET Divertor by Means of Emission Spectroscopy Intensity, ph·s -1 cm -1

11 Излучение C 2 Swan band ( = -1) ГОЛ-3 Получено спектрометром СП-41 при изучении поверхностной плазмы при инжекции твердотельной углеродной крупинки

12 Энергетические уровни и колебательный спектр молекулы B - вращательная постоянная v и J - колеб. и вращательное квантовые числа

13 Вращательная тонкая структура - появление полос P - ветвь: ΔJ = -1 R - ветвь: ΔJ = +1 Q - ветвь: ΔJ = 0 Спектральные диапазоны разных молекулярных переходов

14 Излучение C 2 Swan band ( = -1) ГОЛ-3 Получено спектрометром СП-41 при изучении поверхностной плазмы при инжекции твердотельной углеродной крупинки

15 Схема диссоциации легких углеводородов вблизи приемника пучка в ГОЛ-3 CDmCDm CDCD C2DnC2Dn C2C2 C+C+ Gero band нм нм Swan band 507 – 516 нм... Образуются на поверхности Фракции Регистрируемое излучение Линии CnCn

16 Измерение двумерного распределения излучения выбранной спектральной линии объектив телескоп объект Интерференционный фильтр CCD камера плоский фронт

17 Swan = 0 молекулы C 2 и спектральный интервал, выделяемый фильтром для 2D-imaging Пропускание фильтра CII C2C2

18 Фотография приемника плазмы Мишень, МПГ6 плазма

19 PL7491, 2 PL7492, 3PL7490, 1 Эволюция излучения C 2 от номера выстрела за серию экспериментов (за один день) Вт/см 2 PL7485, 2 PL7486, 3 Вт/см 2 PL7488, 5 PL7494, 5 PL7484, 1

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

21 Излучение CD радикала (ГОЛ-3) CD

22 Схема диссоциации легких углеводородов вблизи приемника пучка в ГОЛ CDmCDm CDCD C2DnC2Dn C2C2 C+C+ Gero band нм нм Swan band 507 – 516 нм... Образуются на поверхности Фракции Регистрируемое излучение Линии CnCn S=1.7· см 3 /с нм

23 Поток углерода с поверхности мишени, связанный с химической эрозией, считая источником C 2 и CH являются молекулы этановой группы - CD ( нм) : Ф С = 4·10 18 см -2 ·с -1 C 2 ( нм) : Ф С 3·10 18 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) : Ф С = 4·10 20 см -2 ·с -1 N C – концентрация атомов углерода, S CII – излучательная способность оптического перехода, V T – тепловая скорость углерода. Эта величина соответствует глубине эрозии 0.01 мкм за выстрел. Полная величина химической эрозии графита соответствует 1% глубины разрушения графитового плазмоприемника. Эксперименты по изучению воздействия потоков плазмы на поверхность

24 Зарегистрированы молекулярные спектры C 2 и CD. Определены потоки углеводородов с поверхности плазмоприемника. Облучение графитового приемника потоком плазмы с плотностью энергии 2.5 МДж/м 2 не приводит к существенной модификации поверхности. Химическая эрозия мала по сравнению с физической эрозией поверхности, составляющей 0.01 мкм за выстрел. Выводы

25 Спасибо за внимание

26 GOL-3 JET Спектры С 2 на JET (красным) и ГОЛ-3 (зеленый)

27 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

28 Свойства графита МПГ- 6 Давление насыщенных паров и скорость испарения графита C, C2, C3 мм/час ,

29 Identication of Molecular Carbon Sources in the JET Divertor by Means of Emission Spectroscopy S.Brezinsek, A.Pospieszczyk, M.F.Stamp, … 2004 Молекула С 2 : Swan band: A 3 П g - X 3 П g, A

30 Радикал CD: Gero band: A 2 Δ - X 2 П Особенности: наложение примесей, рядом линия С 2 Deslandres - dAzambuja band

31 Свойства графита МПГ- 6 Давление насыщенных паров и скорость испарения графита C, C2, C h(мкм/сут) мм/час ,

32 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:

33 Эволюция излучения CD радикала в диапазоне нм от номера выстрела за серию экспериментов CD

34 Схема диссоциации легких углеводородов вблизи приемника пучка в ГОЛ-3 CDmCDm CDCD C2DnC2Dn C2C2 C+C+ Gero band нм нм Swan band 507 – 516 нм... Образуются на поверхности Фракции Регистрируемое излучение Линии CnCn