Рис.8. Спектр излучения экранирующего слоя графита (установка MK-200 TRAP, интенсивность потока 10 МВт/см2, расстояние 2,5 см от мишени)
По отношению интенсивностей спектральных линий CV (40,3 Е) и CVI (33,7 Е) были сделаны оценки температуры в экранирующем слое:
Т = 10 - 50 эВ на расстоянии х = 2 - 20 мм от мишени;
Т > 50 эВ на расстоянии х > 20 мм.
Рис.9. Спектр излучения экранирующего слоя вольфрама (установка MK-200 TRAP, w = 10 МВт/см2, х = 2 см от мишени)
Спектральные линии вольфрама (рис.9) расположены настолько плотно, что сложно их идентифицировать. Однако, как и в случае углерода, спектр излучения вольфрама лежит в коротковолновом диапазоне, что также свидетельствует о высокой температуре экранирующего слоя.
При помощи методики томсоновского лазерного рассеяния были сделаны прямые измерения температуры Te и плотности ne в экранирующем слое. На рис.10 а,б представлены результаты измерений Te и ne на расстоянии х = 3 см от графитовой мишени. Для сравнения на этих же рисунках приведены значения Te и ne, измеренные в той же точке, но в отсутствие мишени, т.е. в свободном плазменном потоке.
В течение первых двух микросекунд характеристики плазмы перед графитовой мишенью остаются примерно такими же, как и в налетающем плазменном потоке: плотность nе = (3 - 4) 1015cм-3, температура Te = 120 эВ. Затем происходит резкий рост плотности перед мишенью (рис.10 б) и к моменту t 4 мкс значение nе увеличивается более чем в 10 раз по сравнению со свободным плазменным потоком. Это объясняется тем, что в точку измерения приходит углеродная мишенная плазма, распространяющаяся вдоль силовых линий магнитного поля от поверхности графита вверх по потоку.
Температура мишенной плазмы ниже, чем температура налетающего плазменного потока, тем не менее, в течение первых 15 мкс она находится на достаточно высоком уровне и составляет Te = 60 - 100 эВ (рис.10а). Затем начинается охлаждение углеродной плазмы: к моменту t = 20 мкс температура уменьшается до Те = 20 - 25 эВ, а к 30-й микросекунде спадает до нескольких электрон-вольт. Наблюдаемый спад температуры экранирующего слоя не связан с изменениями температуры в налетающем плазменном потоке, т.к. температура потока по-прежнему сохраняется на уровне Те 85 эВ (рис.10а).
|
а |
б |
Рис.10. Динамика температуры Te (а) и плотности ne (б) в экранирующем слое графита (1) на расстоянии 3 см от поверхности мишени и в свободном плазменном потоке (2) (MK-200 TRAP, w = 10 МВт/см2)
Пространственное распределение температуры Te(x) перед поверхностью графитовой мишени показано на рис.11. Представленные данные указывают на то, что температура Te(x) распределена достаточно однородно по толщине экранирующего слоя и что охлаждение плазмы происходит также равномерно по толщине слоя.
Рис.11. Распределение температуры Te(x) в экранирующем слое графита в моменты времени t = 8 мкс (2) и t = 15 мкс (1) (MK-200 TRAP, w = 10 МВт/см2)
Кроме того, полученные данные свидетельствуют о том, что при сравнительно невысокой интенсивности плазменного потока w 10 МВт/см2 слой мишенной плазмы нагревается до температуры в несколько десятков электрон-вольт. Причем, даже на расстоянии х 1 см от холодной поверхности мишени температура экранирующего слоя составляет Те = 40 - 50 эВ.
Пространственный профиль Te(x) перед вольфрамовой мишенью отличается от случая графита (рис.12). Например, на расстоянии x = 7 мм от поверхности вольфрама электронная температура Те = 30 эВ ниже, чем в случае графита, однако на расстоянии x = 50 мм температура уже заметно выше и достигает величины Те = 120 эВ. Столь высокое значение Те обусловлено тем, что на расстоянии x = 50 мм вольфрамовой плазмы практически нет и значение Те определяется температурой водородной плазмы.
По сравнению с графитом температура плазмы перед вольфрамовой мишенью изменяется в процессе взаимодействия гораздо медленнее. Профили температуры Te(x), соответствующие моментам времени t = 8 мкс и t = 15 мкс, почти не отличаются друг от друга (рис.12). На расстоянии x = 15 мм от вольфрама температура плазмы сохранялась на уровне Те = 50 эВ в течение 30 мкс и снижалась до Те = 10 эВ лишь к моменту t = 50 мкс [12].
Рис.12. Распределение температуры Te(x) в экранирующем слое вольфрама в моменты времени t = 8 мкс (1) и t = 15 мкс (2) (MK-200 TRAP, w = 10 МВт/см2)
В конце главы анализируются причины различий в поведении температуры Te(x,t) перед поверхностью графитовой и вольфрамовой мишеней. На основании полученных данных делается вывод о том, что более резкое охлаждение экранирующего слоя графита по сравнению с вольфрамом связано с влиянием углеродной плазменной короны, которая эффективно снижает поток энергии, поступающий в приповерхностную зону.
Четвертая глава посвящена исследованиям баланса энергии. Поток энергии w0 = 1 - 100 МВт/см2, переносимый струей водородной плазмы, частично теряется в экранирующем слое (wshield), а оставшаяся часть
wtarget = w0 - wshield(4)
доходит до поверхности мишени и расходуется на нагрев материала (wth), тепловое излучение нагретой поверхности (wsr) и эрозию материала (wer)
wtarget = wth + wsr + wer(5)
Излучением поверхности wsr можно пренебречь, т.к. даже при температуре поверхности Т = 5000 - 6000 К излучается не более wsr = уT4 = 10 кВт/см2, что значительно меньше wtarget. Таким образом, можно считать, что поток энергии, доходящий до поверхности мишени, полностью расходуется на нагрев материала и его эрозию. В интегральном виде это выражение выглядит следующим образом:
qtarget = qth + qer, (6)
где qtarget = wtarget dt - плотность энергии, попадающей на поверхность мишени за время облучения, qth - плотность энергии, расходуемой на нагрев мишени, qer - энергия, потребляемая на эрозию материала с 1 см2 облучаемой поверхности за один плазменный импульс.
В первом параграфе обсуждаются результаты измерений энергии, расходуемой на нагрев мишени. При заданной длительности плазменного потока ? для каждого материала существует предельная плотность энергии , которая может быть израсходована на нагрев материала. Величина qmax определяется теплофизическими свойствами облучаемого материала и может быть заранее рассчитана. Отмечается хорошее совпадение между величиной qmax, измеренной экспериментально, и величиной qmax, полученной в расчетах. При длительности потока = 50 мкс (установка МК-200 UG) на нагрев вольфрамовой мишени расходуется не более qmax = 70 Дж/см2, а графитовой - не более qmax = 30 Дж/см2. Учитывая, что плотность энергии в центре плазменного потока составляет q0 = 2500 Дж/см2, можно сделать вывод, что на нагрев мишени потребляется лишь незначительная доля энергии плазмы.
Во втором параграфе анализируются результаты измерений эрозии. Если бы плазменный поток мог свободно проходить через слой испаренного материала и воздействовать на мишень, вызывая испарение материала с поверхности, баланс энергии выглядел бы следующим образом:
q0 = qth + qvap,(7)
где qvap - энергия, расходуемая на испарение материала. В этом случае толщина испаренного слоя d0 определялась бы разницей между энергией плазменного потока q0 и энергией qth, пошедшей на нагрев материала:
d0 = qvap/r = (q0 - qth)/r q0/r,(8)
где - удельная энергия парообразования облучаемого материала.
В отсутствие эффекта экранировки толщина испаренного слоя графита на установке МК-200 UG была бы больше d0 = 200 мкм за один пуск установки. Реальная эрозия графита значительно меньше этой величины и составляет всего лишь d = 0,4 мкм/разряд. Это означает, что благодаря эффекту экранировки количество углерода, испаряемого с поверхности графита, уменьшается в k = d0/d = 500 (!) раз. Для вольфрама эффективность экранировки еще выше и превышает величину k = 1000.
Эффективность экранировки k увеличивается с ростом интенсивности w0 и длительности плазменного потока и, соответственно, снижается при уменьшении w0 и . Например, на установке МК-200 TRAP, где значения w0 и меньше чем на МК-200 UG, коэффициент экранировки графита и вольфрама снижается до k = 70 - 100. При срывах тока в ИТЭР длительность плазменного воздействия будет значительно больше, чем на установке МК-200 UG, поэтому коэффициент экранировки должен быть больше k = 1000.
В этом же параграфе обсуждаются эксперименты с наклонными мишенями. Отмечается, что при неизмененных характеристиках плазменного потока эрозия материала на наклонной мишени может быть существенно больше, чем на перпендикулярной (??= 90°), несмотря на то, что для наклонной мишени интенсивность плазменного воздействия w = w0 sin? меньше, чем для перпендикулярной. Экспериментально показано, что этот эффект имеет место только в случае небольших наклонных мишеней, которые не перекрывают полностью плазменный поток, и поток может их обтекать. Если же наклонная мишень достаточно большая и полностью перекрывает плазменный поток (что соответствует случаю диверторных пластин в ИТЭР), то эрозия материала не растет, а снижается при уменьшении угла падения плазмы на поверхность. Однако снижение эрозии происходит не так быстро, как уменьшается интенсивность w = w0 sin? плазменного воздействия.
Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что на нагрев и испарение материала qtarget = (qth + qvap) расходуется лишь небольшая часть энергии плазменного потока, а основная доля энергии (q0 - qtarget) теряется в экранирующем слое и до поверхности мишени не доходит.
Третий параграф посвящен исследованиям радиационных потерь из экранирующего слоя. Представлены данные, свидетельствующие о доминирующей роли излучения в полном балансе энергии. Отмечаются различия в пространственном распределении радиационных потерь для тяжелых (вольфрам) и легких (графит) материалов (рис.13).
Пространственный профиль радиационных потерь определяется свойствами мишенной плазмы. В случае графита углеродная мишенная плазма быстро (V = 3 - 4 106 см/с) распространяется вдоль силовых линий магнитного поля от облучаемой поверхности навстречу плазменному потоку. В результате, формируется протяженный столб углеродной плазмы, и преобразование энергии плазмы в излучение происходит по всей длине этого столба. В отличие от углерода, испаренный вольфрам остается вблизи облучаемой поверхности в течение всего плазменного импульса. Соответственно, преобразование энергии плазмы в излучение осуществляется в приповерхностной зоне.
Рис.13. Радиационные потери из экранирующего слоя графитовой и вольфрамовой мишеней на установке МК-200UG
Различия в поведении углеродной и вольфрамовой мишенной плазмы обусловлены различиями в их излучательной способности [13, 14]. Углеродная плазма, образующаяся вблизи поверхности графитовой мишени, эффективно поглощает поступающий поток энергии, но не может сразу преобразовать его в излучение. Поэтому значительная часть энергии расходуется на ионизацию углерода до состояния С5+ и нагрев углеродной плазмы до температуры порядка Т = 100 эВ. Нагретая плазма расширяется вдоль силовых линий магнитного поля и таким образом отводит поглощенную энергию от графитовой мишени. Со временем вся энергия QЭС, запасенная в экранирующем слое, преобразуется в излучение, но это происходит не вблизи поверхности, а в протяженном столбе мишенной плазмы.
Вольфрамовая плазма по сравнению с углеродной обладает существенно большей излучательной способностью и поэтому основная часть поступающего потока энергии сразу же преобразуется в излучение в приповерхностном слое мишенной плазмы. Можно сказать, что для вольфрама выполняется не только интегральный за разряд баланс энергии в виде Q0 Qрад, но и баланс мощности W0(t) Wрад(t) в каждый момент времени.
В случае графита значительная доля энергии запасается в плазме экранирующего слоя, и баланс мощности имеет вид
.(9)
По окончании плазменного импульса энергия углеродной плазмы транс-формируется в излучение, и итоговый баланс энергии имеет тот же вид: Q0 Qрад.
Таким образом, преобразование энергии плазменного потока в излучение мишенной плазмы является основным механизмом экранировки поверхности вольфрама, графита и любого другого материала. Учитывая, что излучение мишенной плазмы сосредоточено в основном в интервале длин волн ? = 30 - 300 Е, можно сделать вывод, что экранирующий слой является источником интенсивного коротковолнолнового излучения и, следовательно, на основе взаимодействия потоков плазмы с материалами можно создавать мощные источники ВУФ излучения.