Спектроскопія компресійних плазмових потоків та їх взаємодії з поверхнею в сильнострумових плазмодинамічних системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені В.Н. КАРАЗІНА

УДК 533.9

СПЕКТРОСКОПІЯ КОМПРЕСІЙНИХ ПЛАЗМОВИХ ПОТОКІВ ТА ЇХ ВЗАЄМОДІЇ З ПОВЕРХНЕЮ В СИЛЬНОСТРУМОВИХ ПЛАЗМОДИНАМІЧНИХ СИСТЕМАХ

01.04.08 - фізика плазми

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

МАРЧЕНКО ГАННА КОСТЯНТИНІВНА

Харків 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики плазми Національного наукового центру ”Харківський фізико-технічний інститут” НАН України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук ГАРКУША Ігор Євгенійович, Національний науковий центр “Харківський фізико-технічний інститут” НАН України, старший науковий співробітник, заступник директора Інституту фізики плазми.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор ГОНЧАРОВ Олексій Антонович, Інститут фізики НАН України, Київ, головний науковий співробітник;

кандидат фізико-математичних наук, доцент, ВЕКЛИЧ Анатолій Миколайович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, старший науковий співробітник.

Захист відбудеться "8" квітня 2011 р. о 15.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.12 Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна МОНМС України за адресою: 61108, м. Харків, пр. Курчатова 31, ауд. 301.

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна МОНМС України за адресою: 61077, м. Харків, майдан Свободи 4.

Автореферат розісланий "18" лютого 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради С.О. Письменецький

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В теперішній час ведуться активні експерименти з вивчення процесів генерації та динаміки потужних плазмових потоків під час їх взаємодії з різними матеріалами, зокрема, з вуглецем та вольфрамом, які будуть контактувати з плазмою в диверторі майбутнього реактора-токамака ІТЕР. Квазістаціонарний плазмовий прискорювач КСПП Х-50 - єдиний, що функціонує в Україні, та найбільший в світі пристрій, який здатен генерувати плазмові потоки з параметрами, що очікуються в режимах зриву струму та граничних локалізованих мод (ELMs) в ІТЕР. Параметри плазми КСПП Х-50 дозволяють проводити імітаційні дослідження з проблеми взаємодії плазма-поверхня. через складність процесів, що відбуваються під час взаємодії високоенергетичної щільної плазми з поверхнею, особливо актуальними стають дослідження приповерхневої плазми, динаміки домішок матеріалів дивертора та процесів передачі енергії плазми матеріалу.

Поряд із термоядерним напрямком досліджень у галузі фізики плазми плазмові фокуси (ПФ) розглядаються як найперспективніші потужні джерела нейтронного, ультрафіолетового та рентгенівського випромінювання. Поведінка плазми в таких системах характеризується швидкою зміною її параметрів у часі та просторі, що обумовлює необхідність застосування сучасних методик діагностики з високою часовою та просторовою роздільною здатністю.

дослідження динаміки плазмових потоків та процесів їх взаємодії з поверхнею потребують залучення значної кількості різних діагностик, таких як: магнітні та електричні зонди, калориметри та інші контактні діагностики. безсумнівна перевага серед них належить оптичній спектроскопії з декількох причин:

1. Можливість безконтактно вимірювати плазмові параметри без збурення плазми і з забезпеченням інформації про основні її характеристики.

2. Спектральні методи є універсальними з точки зору їх придатності для вивчення динаміки як імпульсних (тривалістю ~ 10^-9 с), так і квазістаціонарних (> 10^-4 с) плазмових потоків.

3. Комплекс спектральної діагностики охоплює широкий діапазон величин, що вимірюються: електронна та іонна температури - T_e, T_i; густина електронів - N_e, тривалість випромінювання, швидкість плазми та інші. Сукупність цих параметрів дозволяє відновити повну картину фізичних процесів, що відбуваються при генерації, формуванні та розповсюдженні плазмових потоків. Можливість використання спектральних методів діагностики у різних плазмових системах дозволяє виявити особливості процесів взаємодії плазми з поверхнею та поведінки матеріалів в умовах різних видів корпускулярно-енергетичного впливу.

наявність великої кількості домішок може привести до охолодження та розпаду плазми, будь то плазмового шнура (у випадку термоядерних систем), плазмових потоків (в імпульсних інжекторах) або пінчів (в плазмових фокусах). Тому важливим напрямком досліджень плазми на сучасних плазмових пристроях є вивчення динаміки та аналіз складу домішок.

Важливість досліджень плазмових потоків обумовлена також перспективами їх використання в сучасних плазмових технологіях: для модифікації поверхонь та отримання нових матеріалів, в літографічних застосуваннях, в космічних дослідженнях та ін.

Цим визначається важливість та актуальність наукової задачі, що поставлена та вирішена в дисертаційній роботі.

Зв'язок роботи з науковими програмами та темами. Дисертаційну роботу виконано відповідно до тематики досліджень, що проводились в Інституті фізики плазми Національного наукового центру ”Харківський фізико-технічний інститут” (ІФП ННЦ ХФТІ), в рамках виконання планових бюджетних науково-дослідних робіт:

- «Програма проведення фундаментальних досліджень з атомної науки і техніки Національного наукового центру „Харківський фізико-технічний інститут” до 2005 р.», затверджена розпорядженням Кабінету Міністрів № 421-р від 13.09.2001, № державної реєстрації 080901UР0009 від 08.10.2001 (теми: «Дослідження потоків плазми в багатощілинній електромагнітній пастці «Юпітер-2М», взаємодія потужних потоків плазми з поверхнею матеріалів», «Модельні експерименти і розрахунки в обґрунтування розробки джерела термоядерних нейтронів, вибору матеріалів диверторних пластин термоядерного реактора, поліпшення властивостей конструкційних матеріалів»); № держреєстрації 080906UP0010 «Розробка джерел важких іонів, електронів і потоків плазми та їх застосування для нагріву і діагностики високотемпературної плазми, а також в плазмових технологіях» 2005-2010 р.

- Державна програма фундаментальних і прикладних досліджень з проблем використання ядерних матеріалів та ядерних і радіаційних технологій у сфері розвитку галузей економіки (Тема Х-813 «Дослідження стійкості конструкційних матеріалів і компонентів при опроміненні потужними іонно-плазмовими потоками та ерозійних механізмів в умовах великих енергетичних навантажень»).

- Теми міжнародного співробітництва Міністерства освіти і науки України (двостороння угода з Німеччиною, Дослідницький центр Карлсруе): «Ерозія розплавленого шару й дрейф при взаємодії гарячої плазми з поверхнею мішені», № державної реєстрації ОК 0203U008363; «Експериментальний аналіз ерозії розплавленого шару металів та інжекції крапель», № державної реєстрації 013U006474, «Експериментальне та чисельне моделювання ерозії мішеней, що є типовою для перехідного режиму ІТЕРа», № державної реєстрації 0105U008855.

- Теми міжнародного співробітництва Міністерства освіти і науки України (двостороння угода з Польщею, Інститут ядерних досліджень ім. А. Солтана, Варшава): «Дослідження властивостей імпульсних потоків щільної плазми, розробка плазмових методів покращення властивостей поверхонь», № державної реєстрації ОК 0203U008364; «Розвиток і застосування різних методів діагностики плазми і поверхні для дослідження процесів модифікації твердих поверхонь матеріалів», № державної реєстрації 0104U007424.

– Проекти Українського науково-технологічного центру (УНТЦ) грант № 881 «Підвищення стійкості проти спрацювання та корозійної стійкості конструкційних матеріалів шляхом зміцнення поверхні при дії імпульсних та квазістаціонарних потоків плазми» (при підтримці США та ЄС), № 881с «Модифікація структури й властивостей поверхневого шару магнітотвердих матеріалів при їх опроміненні імпульсними потоками плазми» (США), грант № 3378 «Розробка магнітоплазмового компресора для генерації компресійних плазмових потоків важких інертних газів» (США), грант № 4155 «Експериментальні дослідження взаємодії потужних плазмових потоків з матеріалами в умовах, що очікуються в токамаці-реакторі » (ЄС).

Мета й задачі досліджень. Основною метою роботи є розвиток та вдосконалення сучасних методів спектральної діагностики для вивчення особливостей генерації та динаміки щільних плазмових потоків, а також їх взаємодії з поверхнею в широкому діапазоні корпускулярного випромінювання. Для досягнення цієї мети в дисертаційній роботі сформульовано й розв'язано ряд задач:

- розробка і вдосконалення комплексу оптичної діагностики з високою роздільною здатністю для експериментального визначення просторово-часових розподілів електронної густини та температури плазми плазмового фокусу ПФ-1000, а також дослідження процесів взаємодії плазми з поверхнею матеріалів;

- оптимізація режимів роботи імпульсного плазмового стрижневого інжектора IBIS. Визначення ефективного режиму роботи інжектора, який характеризується малою кількістю домішок в потоці, для вивчення взаємодії водневої плазми з поверхнею вольфраму;

- дослідження особливостей взаємодії потужних квазістаціонарних плазмових потоків КСПП Х-50 з поверхнями різних матеріалів. Динаміка та аналіз домішок в приповерхневій плазмі;

- вивчення випромінювальних характеристик вольфраму в різних плазмодинамічних системах.

Об'єкт дослідження - фізичні процеси генерації, формування та випромінювання щільних замагнічених плазмових потоків, а також їх взаємодії з матеріалами. плазма інжектор квазістаціонарний імпульсний

Предмет досліджень - компресійні потоки, що генеруються потужними плазмовими джерелами типу плазмовий фокус (ПФ-1000) та імпульсним стрижневим інжектором (IBIS), а також квазістаціонарним прискорювачем КСПП Х-50 та їх випромінювальні характеристики; вплив різних чинників: зовнішнього магнітного поля, параметрів налітаючої плазми, типу матеріалу та ін. на процеси взаємодії високоенергетичних потоків плазми з матеріалами.

Методи досліджень. Для експериментального вивчення параметрів потужних потоків щільної плазми використовувався сучасний комплекс оптичних методів діагностики, що включав спектроскопію (с високою часовою та просторовою роздільною здатністю), високошвидкісну фотореєстрацію та інтерферометрію. Електронна густина плазми визначалась по штарківському розширенню спектральних ліній багатьох елементів. Електронна температура плазми вимірювалась по відношенню інтенсивностей спектральних ліній різних стадій іонізації. Швидкість плазмового потоку визначалась часово-пролітним методом, а тиск - за допомогою п`єзоелектричних детекторів. Вимірювання основних електротехнічних характеристик розрядів (розрядний струм та напруга) проводились за допомогою поясів Роговського та частотно-компенсованих подільників напруги. Набір локальних рухомих калориметрів застосовувався для вимірювання густини енергії та повного енерговмісту в потоці плазми. Застосування комбінації різних діагностик дозволило отримати взаємодоповнюючу інформацію щодо основних параметрів плазми (T_e, T_i, N_e, P, E, V).

Обґрунтованість та достовірність результатів і висновків дисертаційної роботи забезпечено використанням різних оптичних методів діагностики, а також теоретичним та експериментальним аналізом умов їх застосування. Використані в дисертації оптичні діагностичні методики пройшли випробування під час проведення аналогічних експериментів в інших наукових колективах та завдяки безконтактності мають високу точність вимірювань.

Наукова новизна отриманих результатів.

Розроблено універсальний комплекс оптичної діагностики, який вперше дозволив вирішити низку плазмодинамічних задач з генерації та формування компресійних плазмових потоків та плазмово-поверхневої взаємодії в широкому діапазоні параметрів плазми: тривалості імпульсу 10^-9 ч 10^-4 с, питомої потужності 10⁶- 10¹¹ Вт/см², густини плазми 10¹⁶ - 10¹⁹ см^-3.

Вперше проведено комплексний аналіз впливу потужних плазмових потоків різної тривалості імпульсу на особливості випромінювання приповерхневої плазми. Визначено, що під час дії короткоімпульсної плазми на поверхню, ефекти екранування практично не позначаються на процесах передачі енергії через малий час існування високоенергетичного плазмового потоку та подальше різке зменшення густини плазми. Характерні особливості взаємодії квазістаціонарних плазмових потоків з поверхнею обумовлені значно більшою тривалістю генерації потоку та значно вищими екрануючими властивостями перехідного плазмового шару.

За результатами просторово-часових вимірювань параметрів плазми, що генерується плазмовим фокусом ПФ-1000, уперше за допомогою спектральної діагностики експериментально встановлені фази формування та двохпінчева структура плазмового фокусу. Застосування в комбінації декількох оптичних методик визначення електронної концентрації плазми ПФ вперше дозволило встановити просторові розподіли N_e в зоні фокусу та оцінити густину різних шарів плазмового фокусу, які відповідають ядру та периферійній зоні.

Також у дисертаційній роботі в експериментах, що моделюють умови дивертора термоядерного реактора ІТЕР, вперше експериментально досліджено вплив атомної ваги матеріалу на параметри перехідного плазмового шару, який формується під час взаємодії квазістаціонарних плазмових потоків з поверхнею. Зокрема, показано, що атомна вага матеріалу значно впливає на товщину перехідного шару та визначає його захисні властивості. При цьому параметри шару (густина та температура) залишаються незмінними для всіх сортів матеріалу.

В роботі вперше для імітаційних експериментів з проблеми термоядерного реактору визначено абсолютні концентрації домішок по спектральним лініям відповідних елементів з самопоглинанням.

Практичне значення отриманих результатів. Інформація щодо випромінювальних характеристик вольфрамової плазми та представлений у дисертації спектроскопічний аналіз можуть бути використані у подальших дослідженнях проблеми впливу плазми на матеріали термоядерних установок. Вони також мають важливе значення для визначення фізичних процесів під час взаємодії плазми з поверхнею дивертора та першої стінки під час аномальних режимів роботи ІТЕР.

Наведені в дисертації результати можуть використовуватись при розробці нових плазмодинамічних систем прискорення і компресії плазми на основі КСПП, МПК та ПФ.

Результати досліджень можуть бути застосовані для подальшого розвитку сучасної оптичної діагностики щільної плазми.

Штарківські та інші атомні константи для спектральних ліній міді та алюмінію, що експериментально визначені в дисертаційній роботі, можуть також використовуватись в інших галузях фізики плазми та бути корисними для спеціалістів з астрофізики.

Апробація результатів дисертації. Результати, що представлені в дисертаційній роботі, доповідались на міжнародних конференціях: 9^th, 10^th, 12^th International Conference-School on Plasma Physics and Controlled Fusion (Alushta, Crimea, 2002, 2004, 2008, 2010); 20, 22, 24 Symposium on Plasma Physics and Technology (Czech Republic, Prague, 2002, 2006, 2010); 26 International Conference on Phenomena in Ionized Gases (Greifswald, Germany, 2003); 4^th, 6^th International Conferences on Plasma Physics and Plasma Technology (Minsk, Belarus, 2003, 2009); 2^nd German-Polish Conference on Plasma Diagnostics for Fusion and Applications (Cracow, Poland, 2004); 4^th, 9^th International Workshop and School "Towards Fusion Energy - Plasma Physics, Diagnostics, Applications" (Kudowa Zdrуj, Poland, 2004, 2010); International Conference on Physics of Low Temperature Plasma (Kyiv, Ukraine, 2004); 3^rd Hungarian Plasma Physics Workshop (Visegrad, Hungary, 2006); 16^th Symposium on Plasma Processes (Podbanske, Slovakia, 2007); Workshop on Plasma Production by Laser Ablation (Scilla, Italy, 2007); International Conferences PLASMA-2005 “Research and Applications of Plasmas” (Opole, Poland); PLASMA-2007 (Greifswald, Germany); Українські конференції з фізики плазми та керованого термоядерного синтезу (Київ, Україна, 2007, 2009); 18^th International Conference on Plasma Surface Interactions (Toledo, Spain, 2008).

Особистий внесок автора. Авторка брала безпосередню участь у підготовці і проведенні всіх експериментальних досліджень, результати яких покладено в основу дисертації. Вона здійснювала постановку задачі, самостійно проводила обробку, інтерпретацію та порівняльний аналіз одержаних експериментальних даних.

Здобувачці належить визначальний внесок у підготовці та написанні наукових статей і доповідей, опублікованих за темою дисертації.

У роботі [1] автором здійснено обробку і аналіз експериментальних даних та експериментальне визначення фундаментальних атомних констант - штарківських напівширин для спектральних ліній Cu II, III у діапазоні довжин хвиль 220 - 600 нм. Ця робота, по суті, є першою спробою застосувати дослідження взаємодії плазма-поверхня для вирішення проблем атомної фізики. Автором проведено порівняння отриманих результатів з іншими експериментальними та теоретичними даними. У роботах [2,10,11] авторка брала активну участь у розробці та налагодженні комплексу оптичної діагностики, що застосовувався на всіх етапах досліджень на плазмовому фокусі ПФ-1000, інжекторі IBIS та лазерному джерелі LIS. Цей діагностичний комплекс в теперішній час успішно використовується для вимірювань просторово-часових розподілів електронної густини та температури плазми і є постійною діагностикою. У роботах [3,4] дисертантці належить постановка задачі, проведення аналітичних розрахунків та їх подальша інтерпретація. В даних роботах проведено аналіз спектру випромінювання ерозійної вольфрамової плазми, який уперше зареєстрований в експериментах по вивченню впливу лазерного випромінювання на поверхню вольфраму. Також авторка провела розрахунки розподілу іонів вольфраму по стадіям іонізації в рамках локальної термодинамічної рівноваги, що дозволило визначити відсотковий уміст різних іонів в залежності від електронної температури. Здобувачкою вперше були визначені параметри (N_e, T_e) фронту лазерної плазми методом порівняння теоретичного та експериментального спектрів. В роботі [5] дисертанткою проведені вимірювання часових розподілів електронної густини та температури плазми, що генерується плазмовим інжектором IBIS, та за допомогою спектральної діагностики досліджено процеси взаємодії імпульсного плазмового потоку з поверхнею вольфраму. На основі цих даних за участю здобувачки проведено оптимізацію та визначені ефективні режими роботи інжектора IBIS для опромінення вольфрамових поверхонь. В роботах [6,9] авторка брала участь в експериментальних дослідженнях енергетичних характеристик плазмових потоків, які генеруються квазістаціонарним плазмовим прискорювачем КСПП Х-50, а також у вивченні характеристик приповерхневої плазми, яка утворюється при плазмових навантаженнях на поверхню вольфраму, що є близькими до перехідних режимів роботи термоядерного реактора ІТЕР. В роботі [7] здобувачка вперше застосувала ефект самопоглинання в спектральних лініях для визначення абсолютних концентрацій домішкової складової плазми, яка спричинена випаруванням поверхні матеріалу. В роботі [8] дисертантка провела порівняння параметрів перехідного плазмового шару для різних матеріалів та експериментально встановила, що невеликий вміст випаруваного матеріалу (3-4%) з різною атомною вагою (від 12 до 184 о.а.м.) в перехідному плазмовому шарі, який формується поблизу мішені під впливом квазістаціонарних плазмових потоків КСПП, не впливає на електронну густину та температуру даного шару, а визначає його товщину та захисні властивості. Експериментальні результати, що отримані дисертанткою в роботі [10], стали основою для аналізу фізичних процесів формування та випромінювання плазмових фокусів. В роботі [11] здобувачкою проведено детальний аналіз динаміки плазми в ПФ-1000 та здійснено одночасне застосування декількох спектральних методик визначення електронної густини плазми. В експериментах по вивченню процесів взаємодії імпульсних плазмових потоків з поверхнею автором проаналізовано відмінність впливу короткоімпульних та квазістаціонарних потоків плазми, визначено особливості формування і випромінювання ерозійної плазми в подібних умовах.

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в 11 роботах, у тому числі в 9 статтях у фахових наукових журналах та 2 доповідях у матеріалах міжнародних конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів основного тексту з 50 рисунками, висновків й списку використаних джерел з 196 найменувань. Повний обсяг дисертації складає 154 сторінки, у тому числі список використаних літературних джерел займає 23 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі формулюється актуальність та основні проблеми, що є предметом вивчення, викладені мета і задачі досліджень. Визначено зв'язок дисертаційної роботи з тематикою досліджень, що проводяться в ІФП ННЦ ХФТІ.

У першому розділі розглянуто класифікацію та розвиток плазмодинамічних систем, що генерують щільні плазмові потоки. На основі літературних джерел проаналізовано фізичні процеси, що відбуваються при генерації потужних плазмових потоків різними плазмодинамічними системами. Наведено огляд експериментальних робіт по взаємодії плазми з різними матеріалами. Проведено аналіз сучасного стану щодо розвитку діагностичних методів плазми. Це дозволило сформулювати мету досліджень та поставити задачі для її реалізації.

У другому розділі представлено опис експериментальних пристроїв, методів діагностики та спектроскопічного обладнання, що використовувалось в описаних дослідженнях.

У підрозділі 2.1 наведено опис мегаджоульного плазмового фокусу ПФ-1000 мейзеровського типу, який функціонує в Інституті фізики плазми та лазерного мікросинтезу (Варшава, Польща), і є найбільшим в світі за енерговмістом. Діаметр внутрішнього електроду складає 226 мм, а довжина 560 мм. Зовнішній стрижневий електрод складається з 24 сталевих трубок діаметром 32 мм, які розподілені симетрично навкруг циліндричної поверхні діаметром 400 мм. Під час експериментів вакуумна камера заповнюється дейтерієм під початковим тиском 2,6 Тор. Напруга конденсаторної батареї ємністю 1332 мкФ сягає 27 кВ.

У підрозділі 2.2 подано опис стрижневого інжектора IBIS, який розташовано в Інституті ядерних досліджень ім. А. Солтана (Варшава, Польща) та використовувався для дослідження процесів взаємодії плазмових потоків з вольфрамом, як основним матеріалом найбільш енергонагружених зон термоядерного реактора. Інжектор має електроди прозорого типу, кожен з яких утворений короною з 32 стрижнів діаметром 2 мм. Залишковий тиск в вакуумній камері складав 10^-5 Тор. Імпульсний напуск робочого газу здійснювався за допомогою електромагнітного клапану. Розряд ініціюється високовольтним розрядником, що подає на електроди напругу конденсаторної батареї, яка заряджається до 35 кВ. Запасена енергія досягала 44 кДж. Робочі режими інжектора варіювались зміненням часу затримки між напуском робочого газу та високовольтним імпульсом.

У підрозділі 2.3 представлено опис лазерного іонного джерела LIS, що складається з циліндричної стальної вакуумної камери, яка оснащена рухомим тримачем для мішеней та декількома портами спостереження для іонного діагностичного обладнання, зовнішньої лазерної системи та оптичного спектрометра з високим часовим розділенням.

У підрозділі 2.4 описано потужний квазістаціонарний плазмовий прискорювач КСПП Х-50. Плазмові потоки, що генеруються КСПП, інжектуються у магнітну систему 1,6 м завдовжки та 0,44 м діаметром, яка забезпечує замагнечування у поздовжньому магнітному полі B₀ = 0,54 Т. Параметри плазмових потоків, що генеруються даним прискорювачем, можуть варіюватись в наступних межах: густина плазми від 2Ч10¹⁵ см^-3 до 4Ч10¹⁶ см^-3, швидкість плазми від 6Ч10⁶ см/с до 4Ч10⁷ см/с, густина енергії в приосевій зоні потоку від 20 Дж/см² до 2,5 кДж/см². Повний енерговміст в плазмовому потоці досягав 400 кДж. Електроживлення всіх елементів прискорювача здійснюється від ємнісних накопичувачів. Максимальні параметри батареї основного розряду: U = 25 кВ, С = 7200 мкФ, W = 2,2 МДж. Розрядний струм може досягати 0,8 МА, тривалість імпульсу складає 150 - 300 мкс.

У підрозділі 2.5 описуються спектральні методи оптичної діагностики, що використовувались в дослідженнях плазмових потоків, які генеруються плазмодинамічними системами різних типів - квазістаціонарними та імпульсними. Зокрема, надано короткий опис відомих методик визначення електронної густини плазми, таких як лінійне та квадратичне штарківське розширення спектральних ліній, та представлено залежності штарківської напівширини від електронної густини для спектральних ліній багатьох елементів (N, O, F, C, Cu, Al і т.д.). Розглядається декілька методів визначення електронної температури плазми по відношенню інтенсивностей спектральних ліній. Також описано комплекс спектроскопічних приладів для дослідження інтегральних характеристик плазмових потоків, що складається з дифракційного спектрографу ДФС-452, монохроматорів МДР-23 та МДР-6, високошвидкісної фотографуючої установки ВФУ-1, ФЕП-79 та фотодіодів. Представлено опис спектрографу MECHELLE®900 з високою часовою роздільною здатністю (від 100 нс до 50 мс) у діапазоні довжин хвиль від 300 до 1100 нм. Система має просторову роздільну здатність 10 мм. Апаратний контур спектрографу складає приблизно 0,5 нм в центральній частині спектру та має лінійну залежність від довжини хвилі. Спектр випромінювання реєструється CCD камерою, що з`єднана з персональним комп`ютером. Програмне забезпечення GRAMS32-v.6.0 дозволяє оперативно та ефективно аналізувати та обробляти експериментальні контури спектральних ліній.

Рис. 1 Просторова залежність електронної густини плазми в момент максимального стиснення, яка зареєстрована при tексп= 0,1 мкс. U=27 кВ, P =2,6 Toр, робочий газ - D2

Третій розділ присвячено спектроскопічним дослідженням динаміки плазми в плазмовому фокусі ПФ-1000, вдосконаленню методів оптичної діагностики та розробці нових схем реєстрації випромінювання плазми. Основою даного розділу є аналіз випромінювальних властивостей приповерхневої плазми при опроміненні комбінованих вуглецево-вольфрамових зразків потужними імпульсними потоками плазми ПФ.

У підрозділі 3.1 особлива увага приділяється локалізації та формуванню щільного плазмового фокусу. На основі просторових залежностей електронної густини показано, що утворюється два пінча. Перший з густиною плазми 10¹⁸ см^-3 спостерігається на відстані 8 см від електродів, а другий пінч, що містить продукти ерозії електродів та через це має вдвічі більшу N_e, - на відстані 1 см (рис.1). Результати, які отримані з просторових розподілів густини плазми, добре узгоджуються із дослідженнями плазмового фокусу, що проведені за допомогою рентгенівської камери обскури.

Рис. 2 Діаграма електронної густини плазми <Ne> в ПФ-1000

У підрозділі 3.4 визначення просторово-часових характеристик плазмового фокусу дозволило підібрати необхідні умови для імітаційних експериментів із взаємодії дейтерієвої плазми з поверхнею комбінованих мішеней (W+C та W), та параметрів плазми в зонах розташування мішеней: на обраних відстанях 15 см (q = 10¹⁰ Вт/см²) та 30 см (q = 10⁹ Вт/см²) від електродів. Завдяки визначенню електронної густини плазми по лінійному та квадратичному штарківському розширенню спектральних ліній дейтерію і домішкових елементів (C, Cu), встановлено декілька фаз, що характеризують динаміку взаємодії плазми ПФ з матеріалами (рис.2). Перша фаза характеризується впливом щільного фронту плазми, що ініціює інтенсивне випарування матеріалу мішені. В наступній стадії густина дейтерієвої плазми стає на декілька порядків менше. Остання фаза - це ерозія електродів. По відношенню інтенсивностей спектральних ліній C IV/C III, розраховано електронну температуру плазми T_e, яка досягає 6 еВ. Значна увага приділяється кореляції даних спектральних вимірювань з дослідженнями емісії швидких нейтронів та протонів, які породжуються в результаті реакцій ядерного синтезу. Сигнали з часовим розділенням з різних детекторів часток підтверджують цей факт.

Четвертий розділ присвячено вивченню взаємодії імпульсних потоків плазми та лазерного імпульсу з поверхнею вольфраму.

У підрозділі 4.1 представлено аналіз спектру випромінювання вольфрамової плазми, що спостерігається під час взаємодії інтенсивного лазерного променя з енергією 0,8 Дж та тривалістю до 3 нс з вольфрамовою мішенню, яка знаходиться в умовах вакууму. Перший етап аналізу - це відбір декількох груп спектральних ліній вольфраму для отримання найбільш вірогідних результатів. В ході аналізу відібрано наступні групи спектральних ліній:

- найбільш інтенсивні лінії W I та W II для широкого діапазону величин N_e,

- окремі вольфрамові лінії з мінімальним перекриттям,

- лінії або групи ліній, які є найбільш чутливими до зміни T_e,

- лінії, що найменш піддаються ефекту самопоглинання.

Зміст другого етапу аналізу полягає в виявленні спектральних ліній вольфраму з самопоглинанням. Більшість теоретичних даних, які використовувались для аналізу, взято в базі даних NIST. Деякі найбільш інтенсивні лінії виявились поглиненими, наприклад W I 429,46 та 430,21 нм. На рис.3 показано розбіжність в величинах експериментальної та теоретичної інтенсивності у декілька разів для параметрів плазми (T_e = 0,8; 1 еВ та N_e = 2x10¹⁶ см^-3; 8x10¹⁶ см^-3), які були визначені в результаті первинного аналізу. Наступна процедура обробки та аналізу даних міститься у визначенні положення центру ліній та їх відносних інтенсивностей. В результаті визначено найбільш вірогідна величина електронної температури лазерної плазми 0,8 - 1 еВ. Оцінена таким чином електронна температура дає можливість отримати апроксимовану величину електронної концентрації ерозійної вольфрамової плазми, яка складає N_e=(2ч8)x10¹⁶ cм^-3. Спектроскопічні вимірювання (враховуючи випромінювання WI та WII) добре узгоджуються з корпускулярними, які виконані за допомогою іонного колектора (IC1)та іонно-енергетичного аналізатора.

Рис. 3 Порівняння теоретичного та експериментального спектрів випромінювання вольфраму для різних величин T_e, N_e

Підрозділ 4.2 представляє дослідження, що націлені на визначення оптимального режиму роботи імпульсного стрижневого інжектора IBIS, при якому генерується чиста плазма, що містить мінімальну кількість домішок або не містить взагалі. Це важливо у випадку вивчення процесів взаємодії плазми з вольфрамом через його тугоплавкість та високу радіаційну стійкість. Проведені вимірювання показали сильну залежність основних параметрів плазми від напуску робочого газу, який регулюється зміненням часової затримки ф між напуском газу та високовольтним імпульсом. Оцінено максимальну і середню величину електронної густини плазми та встановлено, що профілі контурів N_emax та <N_e> для широкого діапазону ф практично співпадають (рис.4). Це свідчить про те, що протягом більшої частини розряду параметри плазми є близькими до максимальних. Зокрема показано, що існує діапазон часових затримок ф = 160-170 мкс, при яких параметри плазмового потоку є найбільш оптимальними для вивчення процесів взаємодії плазми з поверхнею матеріалів. Завдяки відсутності фону домішок суттєво зростає точність вимірювань, внаслідок чого стала можливою реєстрація спектру випромінювання приповерхневої плазми, яка складається з великої кількості спектральних ліній WI та WII. З лінійного розширення спектральних ліній H_в (486,1 нм) і H_б (656,1 нм) визначено електронну густину приповерхневої плазми, величина якої на порядок вища за N_e оцінену в потоці без мішені (5Ч10¹⁷ см^-3). Це свідчить про інтенсивну емісію атомів та іонів матеріалу мішені нарівні з ефектами ущільнення при гальмуванні потоку на поверхні.

Рис. 4 Розподіл електронної густини та температури для різних робочих режимів інжектора IBIS

Вимірювання енергетичних розподілів іонів водню були отримані за допомогою Томпсонівського спектрометру. Ці результати узгоджуються зі спектроскопічними вимірюваннями та показують, що присутність домішок в плазмовому потоці (матеріал електродів та стінки камери) значно впливає на енергію іонів (Е_і~70 кеВ - чистий потік, Е_і~200 кеВ - плазма, що містить домішки).

У п'ятому розділі досліджено особливості взаємодії потужних квазістаціонарних плазмових потоків, що генеруються КСПП Х-50, з різними матеріалами, в магнітному полі (B=0,54 Т). В експериментах використовувались наступні матеріали: вольфрам W (атомна маса - 184), мідь (Cu - 64), титан (Ti - 48), алюміній (Al - 27), фторопласт (CF₄ - 19, 12). Діаметр всіх мішеней був однаковим та дорівнював діаметру плазмового потоку - 12 см за виключенням вольфрамового зразку (d = 5 см).

Рис. 5 Просторові розподіли електронної густини та температури приповерхневого плазмового шару

У підрозділі 5.1 наведено результати вимірювання основних параметрів плазмового потоку у відсутності мішеней та в приповерхневій плазмі. У вільному потоці N_e, усереднена за весь період розряду (ф = 250 мкс), визначалась з хордових вимірювань на основі квадратичного розширення спектральних ліній NII та складала (6 ч 8)Ч10¹⁶ см^-3. Електронна температура дорівнювала T_e=2,7 еВ. Максимальний тиск та енергонавантаження плазмового потоку на поверхню матеріалів сягають 10⁴ Тор та 0,6 МДж/м², відповідно.

Рис. 6 Просторові розподіли інтенсивностей спектральних ліній випаровуваного матеріалу. 1 - CuII 259 нм, 2 - TiII 453,4 нм, 3 - AlII 559,3 нм, 4 - FII 410,9 нм, 5 - CII 426,7 нм

Виміряно просторові розподіли електронної густини та температури перехідного плазмового шару (рис.5), який формується поблизу поверхні мішеней. Для коректного порівняння характеристик приповерхневої плазми використовувались однакові спектральні лінії азоту (діагностична добавка). Виявлено збільшення концентрації електронів поблизу поверхні щонайменше у 5 разів в порівнянні з N_e для вільного потоку. Це пов`язано з формуванням перехідного плазмового шару, який складається з часток випаруваного матеріалу мішені та основної частини потоку, що гальмує. Середнехордова величина електронної температури, що оцінювалась по відношенню інтенсивностей спектральних ліній азоту N II, III, IV, також зросла в 1,5 рази. Показано, що просторові розподіли N_e та T_e, практично не залежать від сорту матеріалу мішеней. На відміну від цього просторові розподіли інтенсивностей випаруваного матеріалу поблизу поверхні мішеней в значній мірі визначаються масою матеріалу мішені (рис.6).

У підрозділі 5.2 наведено опис методики визначення абсолютної концентрації випаровуваного матеріалу мішені та домішок в плазмовому потоці. Ця методика базується на використанні спектральних ліній з самопоглинанням та проілюстрована на прикладі експериментів по взаємодії плазми з алюмінієм. Визначено оптичну товщину плазми для ліній Al II (358,7 і 281,6 нм) та виявлено вклад ефекту самопоглинання на величину електронної густини плазми. А саме показано, що реальна величина N_e виявилась в 2 рази менша за ту, що оцінена з експериментально виміряного профілю лінії (рис.7). Для визначення кількісного складу плазми використовувались формули Саха-Больцмана, які послідовно зв`язують концентрації різних стадій іонізації при відомій величині T_e:

,

де ?л (нм) - напівширина для оптично прозорої плазми; л (нм) - довжина хвилі; f - сила осцилятору; g - статистична вага; L (см) - геометричний розмір шару, що випромінює; е (эВ) - енергія кванту; T_e (еВ) - електронна температура; a - коефіцієнт, який характеризує тип контуру спектральної лінії (для лоренцівського а = 5,6, для гаусівського - 8,9); J - потенціал іонізації; Е - енергія нижнього рівня збудження; UII и UIII - статистичні суми відповідних станів, - експериментальна оптична товщина.

Рис. 7 Просторовий розподіл Ne, визначений з профілю лінії Al II (281,6 нм). ¦ - без урахування вкладу самопоглинання, ? - з урахуванням самопоглинання, ^- Ne в області за мішенню

Складова електронної густини плазми, яка спричинена випаруванням матеріалу мішені, складає 3-4% від загальної N_e перехідного плазмового шару. Аналогічний метод використовувався для визначення концентрації легких домішок в плазмовому потоці без мішені при наявності спектральних ліній з самопоглинанням відповідних елементів. Визначена таким чином абсолютна концентрація домішок в плазмі складає 10-12%, а саме, N - 8% та O - 2 % (діагностичні домішки, що спеціально вводились), C - 3%.

У підрозділі 5.3 представлено аналіз особливостей впливу квазістаціонарних плазмових потоків КСПП на поверхню вольфраму. На основі високошвидкісного фотографування взаємодії плазми з мішенями встановлено, що випаруваний вольфрам, сконцентрований у вузькому приповерхневому шарі < 0,5 cм. Через велику атомну вагу та внаслідок значного тиску налітаючої плазми вольфрам майже не розповсюджується назустріч потоку.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведено розв'язання наукової задачі встановлення особливостей процесів формування та компресії плазми в різних плазмодинамічних системах, а також дослідження процесів їх взаємодії з матеріалами.

1. Розвинуто та вдосконалено методи оптичної спектроскопії для діагностики потоків щільної плазми в компресійних плазмодинамічних системах. Використання в комбінації декількох методик (квадратичний та лінійний Штарк-ефект, метод Інгліса-Телера та інтерферометрія) дозволило визначити електронну густину різних шарів плазмового фокусу, що відповідають ядру та периферійній зоні. Вперше розроблено та апробовано методику спектральної діагностики щільної замагніченої плазми з використанням малої кількості діагностичних домішок до потоку водневої та дейтерієвої плазми. Запропоновано нову спектральну методику визначення абсолютної концентрації домішок в плазмовому потоці, яка базується на використанні ефекту самопоглинання в спектральних лініях відповідних елементів.

2. Проведено порівняльний аналіз динаміки домішок у приповерхневій плазмі при взаємодії імпульсних та квазістаціонарних компресійних плазмових потоків з матеріалами-кандидатами для найбільш енергонагружених зон термоядерних реакторів. Встановлено, що ефекти екранування у випадку короткоімпульсної плазми, на відміну від впливу квазістаціонарних потоків, не є домінуючими в процесах плазмо-поверхневої взаємодії через малий час існування високоенергетичного плазмового потоку та подальшого різкого зменшення густини плазми.

3. Досліджено вплив матеріалу мішені на характеристики перехідного плазмового шару, що формується під впливом квазістаціонарних плазмових потоків на поверхню мішені. Зокрема, в експериментах на КСПП Х-50, вперше встановлено, що електронна густина та температура практично не залежать від атомної маси матеріалу мішені, що обумовлює захисні властивості перехідного плазмового шару в процесах передачі енергії плазми поверхні. Показано, що динаміка домішок в перехідному плазмовому шарі значно залежить від атомної ваги опроміненої мішені, а саме, випаруваний матеріал з більшою атомною вагою сконцентровано в приповерхневій області. Матеріал з меншою масою, частки якого мають вищу теплову швидкість і коефіцієнт дифузії, розповсюджуються на більші відстані від поверхні (> 20 см).

4. Досліджено динаміку розряду та виявлено двохпінчеву структуру плазмового фокусу ПФ-1000. Показано, що утворення плазмового фокусу з електронною густиною >10¹⁸ см^-3 відбувається на відстані 8 см від електродної системи та за часом відповідає максимальному стисненню плазмового потоку. Тривалість фази генерації чистої дейтерієвої плазми складає 5 мкс, після чого спостерігається формування другого плазмового згустку, що обумовлено надходженням домішок внаслідок ерозії електродів. Вивчено динаміку стиснення і просторові характеристики ПФ. Експериментально встановлено існування двох зон максимального випромінювання, просторове розташування яких корелює з виявленими максимумами на розподілі густини плазми.

5. Визначено основні характеристики імпульсних плазмових потоків, що генеруються стрижневим інжектором IBIS, та параметри плазми при її взаємодії з поверхнею вольфраму. На основі спектральних вимірювань визначені оптимальні режими роботи IBIS, які характеризуються малою кількістю домішок у плазмі, для вивчення взаємодії імпульсних плазмових потоків з матеріалами. В результаті проведеної оптимізації та варіації режимів роботи інжектора показано, що енергія іонів значно залежить від початкових умов (перед усім від масової витрати робочого газу).

6. Надано інтерпретацію отриманих особливостей спектральних вимірювань для випадку вольфраму. Проведені дослідження дозволили пояснити характерні відмінності поведінки різних матеріалів, зокрема вольфраму, як матеріалу-кандидату для дивертора в термоядерному реакторі, під впливом потужних квазістаціонарних потоків плазми з густиною енергії до 20 МДж/м² та корпускулярним флюєнсом до 10²⁸ іонів/см².

7. Таким чином, реалізовано можливість проведення порівняльних досліджень динаміки щільної замагніченої плазми в різних компресійних плазмодинамічних системах, а також варіації параметрів плазми і корпускулярно-енергетичних навантажень в широкому діапазоні на поверхню матеріалів, що дозволило здійснити моделювання плазмо-поверхневої взаємодії як в термоядерних реакторах з магнітним утриманням, так і в установках інерціального синтезу.

СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Lobko A.K. Stark broadening parameters for ion lines of copper / Lobko A.K., Trubchaninov S.A., Tsarenko A.V. // Problems of Atomic Science and Technology (9). 2003. № 1. P. 165-168.

2. Marchenko A.K. Temporal and spatial measurements of plasma electron-density from linear-stark broadening of D_в (486 nm) in PF-1000 experiment / E. Skladnik-Sadowska, K. Malinowski, M.J. Sadowski, P. Kubes, M. Scholz, M. Paduch, L. Karpinski, A.K. Marchenko, A. Tsarenko // Czechoslovak Journal of Physics. 2006. Vol. 56D. P. 383-388.

3. Marchenko A.K. Investigation of laser interaction with tungsten target by means of time-resolved optical spectroscopy / E. Skladnik-Sadowska, K. Malinowski, M.J. Sadowski, J. Wolowski, A.K. Marchenko, A.V. Tsarenko // Radiation Effects and Defects in solids: Incorporating Plasma Science and Plasma Technology. 2008. Vol.163, № 4-6. P. 569-577.

4. Marchenko A.K. Spectroscopy of the plasma produced by pulsed plasma-ion streams of laser beams / E. Skladnik-Sadowska, K. Malinowski, M.J. Sadowski, J. Wolowski, P. Gasior, M. Kubkowska, M. Rosinski, A.K. Marchenko, B. Sartowska // Journal of Nuclear Materials. 2009. Vol. 390-391. P. 847-851.

5. Marchenko A.K. Preliminary study of plasma stream interaction with tungsten tardet within RPI-IBIS facility / E. Skladnik-Sadowska, K. Malinowski, M.J. Sadowski, K. Czaus, A.K. Marchenko, A.V. Tsarenko // Problems of Atomic Science and Technology (12). 2006. № 6. P. 135-137.

6. Marchenko A.K. Application of quasi-steady-state plasma streams for simulation of ITER transient heat loads / A.N. Bandura, V.V. Chebotarev, I.E. Garkusha, V.A. Makhlay, A.K. Marchenko, D.G. Solyakov, V.I. Tereshin, S.A. Trubchaninov, A.V. Tsarenko // Czechoslovak Journal of Physics. 2004. Vol. 54C. P. 53-58.

7. Lobko A.K. Measurements of evaporated aluminium concentration on self-absorbed spectral lines / A.K. Lobko, S.A. Trubchaninov, A.V. Tsarenko // Problems of Atomic Science and Technology (8). 2002. № 5. P. 151-153.

8. Marchenko A.K. Comparable analysis of shielding layer parameters for different materials under the plasma stream exposure / Tsarenko A.V., Trubchaninov S.A., Marchenko A.K., Chebotarev V.V., Landman I.S., Staltsov V.V., Tereshin V.I., Garkusha I.E., Solyakov D.G., Makhlaj V.A // Problems of Atomic Science and Technology (10). 2005. № 1. P. 107-109.

9. Marchenko A.K. Tungsten erosion under plasma heat loads typical for ITER type I ELMs and disruption Garkusha I.E., Bandura A.N., Byrka O.V., Chebotarev V.V., Landman I.S., Makhlaj V.I., Marchenko A.K., Solyakov D.G., Tereshin V.I., Trubchaninov S.A., Tsarenko A.V // Journal of Nuclear Materials. 2005. Vol. 337-339. P. 707-711.

10. Marchenko A.K. Space- and time-resolved optical spectroscopy of plasma-ion streams in pulsed high-current discharges / E. Skladnik-Sadowska, K. Malinowski, M.J. Sadowski, M. Scholz, M. Paduch, L. Karpinski, P. Kubes, A.K. Marchenko, A. Tsarenko // Proc. of 3^rd Hungarian Plasma Phys. Workshop. Visegrad (Hungary), 2006. Book of abstracts, P.77.

11. Marchenko A.K. Studies of pulsed plasma-ion streams during their free propagation and interaction with carbon-tungsten targets in PF-1000 facility / E. Skladnik-Sadowska, K. Malinowski, A.K. Marchenko, M. J. Sadowski, M. Scholz, L. Karpinski, M. Paduch, B. Zielinska, V. A. Gribkov // Proc. of International conf. on Research and Applications of Plasmas “PLASMA 2007” combined with 4^th German-Polish Conference on Plasma Diagnostics for Fusion and Applications and 6^th French-Polish Seminar on Thermal Plasma in Space and Laboratory. - Greiswald (Germany), 2007. Book of abstracts, P. 45.

АНОТАЦІЯ

Марченко Г.К. Спектроскопія компресійних плазмових потоків та їх взаємодії з поверхнею в сильнострумових плазмодинамічних системах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.08 - фізика плазми. - Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, 2011.

Дисертація присвячена розвитку та вдосконаленню методів оптичної діагностики щільної замагніченої плазми для дослідження динаміки та генерації компресійних плазмових потоків в широкому діапазоні параметрів плазми: тривалість імпульсу - 10^-4 - 10^-9 с, густина плазми - 10¹⁶ - 10¹⁹ см^-3, питома потужність - 10⁶ - 10¹¹ Вт/см². Досліджено динаміку взаємодії потужних плазмових потоків, що генеруються плазмовим фокусом ПФ-1000, інжектором IBIS, лазерним джерелом LIS та квазістаціонарним плазмовим прискорювачем КСПП Х-50, з поверхнею матеріалів та визначено характерні особливості плазмо-поверхневої взаємодії в залежності від тривалості генерації плазми. В роботі також досліджено вплив матеріалу мішені на параметри приповерхневого плазмового шару, що утворюється під впливом квазістаціонарної плазми на поверхню. Наведено результати вивчення випромінювальних характеристик вольфраму, як матеріалу-кандидату для дивертору в термоядерному реакторі ІТЕР. За допомогою сучасного комплексу спектральної діагностики встановлено структуру та етапи формування плазмового фокусу, що утворюється в мегаджоульному плазмовому фокусі ПФ-1000, та досліджено вплив домішкової складової на динаміку стиснення плазми. Розроблено новий метод визначення абсолютних концентрації домішок в щільній плазмі, який базується на ефекті самопоглинання в спектральних лініях.

Ключові слова: оптична діагностика, потужні плазмові потоки, перехідний плазмовий шар, плазмо-поверхнева взаємодія, динаміка домішок.