Формирование экранирующего слоя и процессы переноса энергии при взаимодействии интенсивных потоков высокотемпературной плазмы с твердотельными материалами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

00344В352

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 ученой степени кандидата физико-математических наук

22с*тт

Москва - 2008

003446352

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

Научный руководитель:

Сафронов

Валерий Михайлович

с н с , кандидат физ -мат наук,

ГНЦ РФ Троицкий институт инновационных и

термоядерных исследований

Официальные оппоненты:

Ковальский Николай Григорьевич

профессор, доктор физ -мат наук,

ГНЦ РФ Троицкий институт инновационных и

термоядерных исследований

профессор, доктор физ -мат наук,

Московский инженерно-физический институт

Савелов

Александр Сергеевич

(государственный университет)

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

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 « 0б>> ОьПфЯ2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212 156 06

Защита состоится «08» ОЧ^ЬрЯ 2008 г в ¿7 часов 00 минут на заседании

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 расчеты 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 объеме воспроизвести условия облучения мишеней, которые будут иметь место при срывах в ИТЭР Более того, сами эти условия на сегодняшний день остаются в большой степени неопределенными 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 «плазма-поверхность», 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), все 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 проведенные 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 А)

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 2МК-200 и МК-2001Ю

2 Проведение комплексных исследований процесса взаимодействия потока высокотемпературной плазмы мощностью 2 -50 МВт/см2 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 10б — 5 107 Вт/см2 возникает сильноизлучающая плазма ионов вещества мишени, обладающая температурой Те = 30 - 90 эВ Коэффициент конверсии энергии плазменного потока в излучение высокотемпературной плазмы достаточно высок, эффективность преобразования энергии емкостного 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 расчетных 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 Ъ

Защищаемые положения. На защиту выносятся

I Результаты измерений параметров плазмы, возникающей у поверхности твердотельных мишеней под действием импульсных (длительностью 15 -35 мне) потоков водородной (или дейтериевой) замагниченной плазмы с характерной плотностью 5 1015 см'1, температурой Те&150эВ, Т ~ 1 кэВ и плотностью мощности в диапазоне IV = 5-50 МВт!см2 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 2 вещества мишени и различаются для мишеней с небольшим 2 (например, графита и алюминия) и для группы мишеней с большим 2 (например, меди и вольфрама),

в) плазма экранирующего слоя имеет высокую электронную температуру Т. =30-90э£,

г) давление плазмы экранирующего слоя вблизи поверхности значительно больше давления торможения налетающего потока,

д) изменение плотности мощности налетающего потока в диапазоне 5- 50 МВт/см1 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 1/200,

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 1см2, длительностью 20 - 25 мкс, со спектром, лежащим в диапазоне 30 < Л < 300 А, 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 излучения W при W = 1-6 МВт /см1,

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 -98), VI, VIII Украинских конференциях - школах по физике плазмы и УТС (Алушта -98, -00), 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 -95), 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 Расчеты 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 83 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 ее 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 приемником 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 учет 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

Проведенный анализ работ, посвященных воздействию на твердотельные мишени мощных (более 0 3 -1 МВт/см2) 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 счет 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 учетом имеющихся экспериментальных возможностей выбраны следующие условия проведения экспериментов

1) столкновение потока с мишенью происходит в поле В = 20-25 кГс,

2) облучение мишеней производится потоками замагниченной плазмы с числом Маха М < 1 5 и параметром /7 = 0 1-035,

3) плотность мощности налетающего потока увеличена до 10 -50 МВт!см1 (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 жестких тепловых режимов, предполагаемых при срывах в токамаке ИТЭР,

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

В ходе проведенного исследования излучения из ЭС выяснилось, что мишенная плазма перед вольфрамовой мишенью представляет собой довольно компактный источник излучения, переизлучающий на длинах волн Л = 30-300Л 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 1/0 используемого емкостного накопителя и временем задержки между началом открытия клапана и подачей напряжения на электроды В экспериментах напряжение 170 варьировалось от 20 до 25 кВ, что соответствует изменению запасенной 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 (Vf=4 10' 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 скин-слой 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 В0= 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 («10л*) плазмопровод, содержащий продольное магнитное поле Величина поля в цилиндрической части равна Ва =7 кГс, далее в конической части оно нарастает с В0 = 7 кГс до В0 = 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 создается однородное поле В0=20кГс

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, 30не), 7-канальная система регистрации, измерения при параметре Солпитера до а 5, особенность система мгновенной калибровки ФЭУ,

• интегральный радиационный калориметр для определения интегральных по спектру и по времени радиационных потерь из ЭС термобатарея из ~1000 термоспаев, коэфф поглощения приемного покрытия близок к единице в диапазоне 4А < Л < 12 мкм,

• спектрометр мягкого рентгеновского (MP) диапазона пропускающие дифракционные решетки 2000 штр!мм и 5000 штр/мм, регистрация интегральных по времени спектров - на рентгеновскую пленку Kodak-101-01 или на ПЗС-камеру XTE/CCD-1024TKB/1 (Princeton Instruments), спектров с временным разрешением 100 не - 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 гп ьйи на кварцевой мишени в реальном масштабе времени), поглощенная мишенями энергия (калориметры поглощенной 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 2МК-200 кольцевой поток длительностью (по полуширине плотности мощности потока) г = 22 мкс образует дейтериевая плазма, имеющая в кольцевой щели следующие характеристики и, =(2-10) 10" см~\ Т - 90 -140 эВ, Т, =100 - 700 эВ, скорость направленного движения и, «■^2Т1/т1 =(1-25) 10' см!с, параметр /9 = 0 1-02, плотность мощности ¡V = 4-10МВт/см2, плотность энергии () = 130 Дж/см2 На установке МК-2001Ю осевой поток длительностью т = 32 мкс образует водородная плазма с параметрами и =(05-7) 10" слГ!, Т =110-160эВ, Т = 250-700 эВ, и, =(1 5-6) 107 см/с, число Маха М = 07-18, /? = 005-035, Ж = 15 - 50 МВт/см2,0 = 12 кДж/см2 На установке МК-200СШР кольцевой поток длительностью около 12 мкс образует водородная плазма, имеющая в кольцевой щели характерные параметры «5 10 "см'1, Т+Т1<13кэВ, /?«0 2, 0 = 300 Дж/см2, Ж = Qjт « 25 МВт/см2

Полученные данные свидетельствуют о том, что плазма, предназначенная для облучения мишеней, является высокотемпературной, замагниченной, обладающей небольшим параметром ¡5 и невысоким числом Маха, что призвано исключить обтекание мишени налетающим потоком Течение плазмы

сопровождается высокими конвективными тепловыми потоками, что создает благоприятные возможности для быстрого образования приповерхностной плазмы, высокого темпа ее нагрева и минимизации боковых потерь массы ЭС Таким образом, условия эксперимента по облучению мишеней оказываются максимально приближены к случаю, когда движение плазмы происходит вдоль силовых магнитных линий, что необходимо для одномерной трактовки процессов в ЭС

Третья глава посвящена исследованию потока энергии, приходящего на поверхность облучаемой плазмой мишени Достигающий поверхность поток энергии расходуется по двум каналам на эрозию поверхностного слоя и на теплоотвод вглубь мишени (Излучением нагретой поверхности в условиях экспериментов можно пренебречь)

Сравнение величины эрозии мишеней, облученных на разных установках, а также результаты прямых интерферометрических измерений скорости эрозии кварцевой мишени в реальном масштабе времени показывают, что скорость испарения поверхности мишени, облучаемой плазмой, не зависит напрямую от плотности мощности налетающего потока при условии, что мощность достаточно велика для создания и сохранения ЭС Для всех изученных неорганических материалов величина испаренного слоя не превышает 1 мкм, а для полимера (ПММА) - 6 мкм (Глубина эрозии металлических мишеней может быть значительно больше за счет движения расплава) Энергия, расходуемая на эрозию, для всех исследованных материалов составляет менее 4 Дж/см2 Сравнение полученных данных с выводами кинетической теории испарения показывает, что в условиях эксперимента испарение поверхности происходит в условиях, близких к равновесным Параметр неравновесности системы «пар - конденсированное тело» (у тр - )сот1~)1 ] тр составляет для

разных материалов 0 02 - 0 1 (Здесь ] тр, — потоки молекул,

испаряющихся либо конденсирующихся на поверхность облучаемой мишени ) Предполагая, что при переходе к ситуации срывов в токамаке ИТЭР этой параметр не изменяется, получается следующая оценка толщины испаренного во время срыва слоя графитовых диверторных пластин токамака И[мкм]а(4-9) 10"4 Р[атм) г[л/кс], где Р - давление плазмы вблизи поверхности, т - длительность термической фазы срыва

Нагрев мишени происходит за счет отвода тепла от поверхности и может быть рассчитан, исходя из теплофизических свойств материала, содержащихся в литературе Наблюдается соответствие измеренных и расчетных данных для всех чистых металлов и графита Для сплавов (нержавеющая сталь) зафиксировано значительное (до 70%) различие между ними, что, по-видимому, свидетельствует о значительной модификации поверхностного слоя мишени При заданной длительности теплового воздействия для каждого материала существует предельная энергия, расходуемая на нагрев Если энергия потока больше этой предельной величины, то поверхность неминуемо будет

испаряться В условиях описываемых экспериментов она составляет от О 1 Дж!смг (ПММА, MK-200CUSP) до 80 Дж/см2 (вольфрам, MK-200UG)

Если же энергия потока опускается несколько ниже этой предельной энергии, то ЭС в ряде случаев все же может формироваться, о чем свидетельствует тот факт, что мишень поглощает только часть энергии потока (в ряде случаев, не более 50 - 65% от энергии потока) Появление ионов материала в этом случае объясняется, по всей видимости, не термическим испарением, а распылением нагретой поверхности под действием энергичных ионов плазменного потока Проведенные теоретические оценки требуемой энергии распыляющих ионов и времени достижения температуры, при которой начинается экспоненциальный рост коэффициента распыления, подтверждают сделанное предположение

Доля энергии налетающего потока, достигающая поверхности, при увеличении мощности потока уменьшается, и при максимальной мощности (установка MK-200UG) она составляет для различных мишеней от 1/15 до 1/200

Эксперимент по измерению энергии излучения ЭС, проникающего сквозь мишень, выполненную в виде проволочной сетки из нержавеющей стали, показывает, что основная доля энергии, достигающей поверхности, переносится фотонами Подобный вывод, по-видимому, может быть сделан и для всех других мишеней из материалов с большим Z (например, вольфрама, меди, молибдена)

Исследование излучения за кварцевой мишенью свидетельствует, что спектр излучения, достигающего поверхности мишени, сильно отличается от континуума, по меньшей мере, в видимой и ближней УФ областях В этих областях спектра значительная часть излучения переносятся в линиях, принадлежащих ионам материала (в данном случае, Si II - Si IV, ОII - ОIV) Параметры плазмы в области генерации регистрируемого излучения составляют Тг=2-ЪэВ, пе = (1 - 2) 1018 ом-3

Исходя из расчетных данных1 о спектре излучения ионов Si II, Si III, Oil - ОIV и экспериментальных данных о пространственном профиле температуры можно заключить, что энергия на поверхность мишени переносится как квантами ближнего УФ и ВУФ диапазонов, так и частицами (вероятнее всего, за счет электронной теплопроводности) Вопрос об относительном вкладе этих каналов экспериментально решить не удалось, для этого необходимо использование расчетных методов

Четвёртая глава посвящена процессам в приповерхностной плазме В начале главы показано, что экранирование поверхности мишени от прямого действия налетающего плазменного потока наступает после того, как перед облучаемой поверхностью возникает слой мишенной плазмы толщиной nj

' Романов Г С , Толкач В И // Инженерно-физический журнал, 1999, т 72, №6, с 1076

порядка 10'6 см'2 (Экранирование за счет нейтрального пара недостаточно эффективно) Требуемое для этого время составляет менее 2 лгкс при облучении вольфрамовой мишени и менее 1 мкс при облучении всех других исследуемых мишеней (из меди, графита, кварцевого стекла) В течение основной части (длительностью 20-40мкс) процесса взаимодействия ЭС можно считать сформировавшимся

Рис. 1. Пространственные профили электронной

температуры и плотности приповерхностной плазмы в момент времени I » 10 мкс. Установка 2МК-200 А - графитовая мишень, Б — вольфрамовая мишень.

20 30 40

Расстояние X, мм

Данные разных диагностик показывают, что ЭС, т е приповерхностную плазму, содержащую значительное число ионов материала мишени, можно условно разбить на две части зону плотной плазмы и плазменную корону Зона плотной (пе > (1 5 - 2) 10" см'1) 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 2 вещества мишени При малых 2 (например, для графитовой мишени) размер короны увеличивается со скоростью (1 - 4) 10б см /с и достигает 40ел< и более Плотность плазмы в короне равна пе =(4-10) 1016 см'1, относительная концентрация ионов мишени п составляет по оценкам п = 0 1-02 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 дейтериевой) плазмы В этом слое плотность составляет

и, = (1.5 н- 2.5)-1016 см'1, а относительная концентрация ионов материала мишени по оценкам меняется от п « 0.1 до и « 0.1.

Прямые измерения методом лазерного рассеяния (для Г ) и оценки (для Г) демонстрируют, что плазма ЭС имеет электронную и ионную температуру Т = 30 -ь90 эВ (рис.1). Столь высокое значение температуры отмечено как для мишеней с малым 2 (графит), так и с большим 2 (вольфрам). Важность полученного результата объясняется тем, что практически все существующие на момент проведения измерений теоретические модели взаимодействия показывали невозможность нагрева плазмы ЭС выше 5-т\0эВ. Высокая температура плазмы ЭС предопределяет многие её свойства: спектр излучения, удержание магнитным полем, механизмы переноса энергии и т.п. В случае облучения мишеней с малым 2 высокая температура плазмы наблюдается в непосредственной близости от поверхности мишеней - температура Г =55 эВ обнаружена в 3 мм от графитовой мишени.

Наличие сильного внешнего магнитного поля и высокая температура плазмы обеспечивают квазиодномерное движение плазмы ЭС вдоль силовых линий внешнего магнитного поля. Об этом свидетельствуют результаты

0 200 400 600 800 1000

Длина волны, А

Рис. 2. Спектр излучения приповерхностной плазмы возле вольфрамовой мишени в

мягком рентгеновском диапазоне. Установка МК-200иС.

1 - наблюдаемый спектр на расстоянии X = 40 мм от вольфрамовой мишени;

2 - спектр во втором порядке дифракции, вычисленный по наблюдаемому.

интерферометрии, МР-спектроскопии и обскурографии. Движение плазмы поперёк магнитного поля наблюдается, но скорость его небольшая, поэтому боковые потери плазмы, участвующей в экранировании, невелики. За исключением радиационных потерь плазмы, которые заведомо трёхмерны, все остальные процессы переноса энергии в приповерхностной плазме можно рассматривать в одномерном приближении.

Благодаря высокой температуре плазмы спектр излучения ЭС лежит в основном в диапазоне Я <300 А. Возле графитовой мишени наиболее интенсивны резонансные линии ионов углерода СУ 403 А и С VI 33.7 А, а также наблюдаются другие линии ионов углерода С IV -VI и линии примесей

(железа /е VII - XI и хрома Сг VII - X) Спектр излучения вольфрама лежит в диапазоне 30 < Л <300 А (рис 2)

Результаты лазерного рассеяния и зондовых измерений показывают, что давление плазмы ЭС вблизи поверхности значительно превосходит давление торможения налетающего потока В ряде случаев наблюдается практически полное вытеснение магнитного поля и параметр /? достигает 0 9

Пространственный характер распределения радиационных потерь из плазмы ЭС (измерения радиационным калориметром и МР-спектрометром) слабо зависит от параметров налетающего потока и определяется, в основном, материалом мишени (рис 3) Для материалов с большим 2 излучающий слой сравнительно узкий (полуширина профиля яркости равна 1 5-3см) Для материалов с малым 2 он гораздо шире, и значительная доля энергии излучается в области плазменной короны

В условиях близкого к одномерному движения плазмы ЭС энергия <2, доставляемая налетающим потоком в ЭС, может расходоваться только на увеличение энергии плазмы ЭС <2Х, радиационные потери <2ра0 и теплоперенос на поверхность мишени В уравнении баланса мощности в ЭС при достаточно мощном плазменном потоке (установка МК-2001Ю) можно пренебречь потоком энергии, достигающим поверхности мишени Для материалов с большим 2 баланс мощности записывается в виде IV(?) ~ (?),

те вся приходящая энергия сразу излучается Для материалов с малым Z, образующих протяженную плазменную корону, существенна энергия (З^,

запасаемая в плазме, поэтому IV(?)« IV^ (/) + Однако, к моменту

прекращения поступления энергии от налетающего потока для всех материалов баланс энергии записывается в виде QяТаким образом, главным

механизмом экранирования поверхности является переизлучение поступающей с налетающим потоком энергии в окружающее пространство

Обнаружено, что наличие мишени в налетающем потоке влияет на величину энергии, доставляемую в ЭС Причем, если на установке 2МК-200 энергия, приходящая в слой, для мишеней из материала с высоким 2 в

ГГ. .Ш. ... I .... I .... I .... I .. "о 5 10 15 20 25 30 35 40 Расстояние от мишени X, см

—О— мишень из вольфрама —мишень из графита

Рис. 3 Пространственный профиль радиационных потерь приповерхностной плазмы Установка МК-20(ШС.

2-3 раза превосходит энергию свободного плазменного потока, то на установке МК-2001Ю сильнее проявляется противоположный эффект -самоэкранирование водородного потока, заключающееся в ограничении передачи энергии от хвостовых частей потока в ЭС Предложены механизмы, объясняющие такое влияние Увеличение потока энергии на мишень, установленную в кольцевой щели каспа (установки 2МК-200, МК-200Си8Р), можно объяснить возникновением поперечного электрического поля на границе части плазменного потока, контактирующей с мишенью Эффект самоэкранирования потока связан с торможением налетающего потока на «фоновой» водородной плазмой, образующейся в результате отражения части налетающих протонов от массивных ионов мишенной плазмы

На основе измеренных радиационных потерь и профилей температуры ЭС проанализирован перенос энергии в приповерхностной плазме Особенности теплопереноса (ионный или электронный, конвективный или теплопроводностный) зависят от расстояния до поверхности мишени, типа мишени (атомного номера 2 материала) и рассматриваемой установки (величины потока энергии в ЭС) Для мишени с большим 2 (вольфрам, установка 2МК-200) по мере приближения к мишени механизм переноса энергии меняется с преимущественно ионного конвективного теплопереноса на комбинированный (конвективный или (возможно) теплопроводностный ионный, плюс кондуктивный электронный), и далее на радиационный энергоперенос Для мишени с малым 2 (графит) на установке 2МК-200 электронная теплопроводность играет определяющую роль в переносе энергии в большей части ЭС Помимо теплопроводности во внешней части плазменной короны действует также ионный конвективный теплоперенос При увеличении потока энергии (графит, установка МК-200иС) важная роль электронного кондуктивного теплопереноса сохраняется, но он теперь не является преобладающим энергетическим каналом Часть энергии доставляется в те места ЭС, где она потом излучается в окружающее пространство, за счет ионного теплопереноса

Измеренный профиль температуры в зоне плотной плазмы вблизи графитовой мишени свидетельствует о том, что электронный теплоперенос не описывается классическими формулами теплопроводности вдоль магнитного поля Рассмотрены возможные причины снижения теплопереноса, в т ч существование слоя нейтралов вблизи испаряющейся поверхности и развитие сильной турбулентности в рассматриваемой зоне Наличие паровой прослойки не объясняет всех наблюдаемых особенностей явления Развитие аномальных процессов в принципе позволяет истолковать наблюдаемый эффект, но требуемое ограничение на величину предельного теплопереноса, ограниченного турбулентностью, представляется чрезмерно жестким Предложено объяснение эффекта без привлечения каких-либо аномальных процессов Эффект снижения теплопереноса можно объяснить возникновением двумерного течения плазмы вблизи мишени, связанного с комбинацией двух наблюдаемых факторов вытеснения магнитного поля плазмой ЭС и

вмороженности силовых линий поля в проводящую мишень

В пятой главе рассматривается воздействие излучения из ЭС, формирующегося при плазменном облучении вольфрамовой мишени, на вторую мишень, установленную сбоку и прикрытую от действия плазменного потока Поток энергии на поверхность боковой мишени вычисляется на основе измеренных радиационных потерь из ЭС у вольфрамовой мишени Корректность расчетов подтверждается контрольными измерениями калориметром поглощенной энергии в условиях, когда ЭС у боковой мишени не образуется Согласно расчетам поток энергии излучения на поверхность боковой мишени достигает 6 МВт!см2 Таким образом, облучение боковой мишени на установке МК-20(ШС происходит потоком энергии, сходным по величине с экспериментами на установке 2МК-200, но в первом случае энергию переносит поток излучения в мягком рентгеновском диапазоне (энергия квантов - Е& 40 - 400 эВ), а во втором - поток высокотемпературной плазмы (энергия ионов - Е « 200 - 800 эВ)

Обнаружено, что для графитовой боковой мишени удельная величина ~ „ _ мкм см2

эрозии «=33 - остается постоянной во всем исследуемом диапазоне

кДж

энергии и мощности излучения (£2 = 20-110Дж!смг, IV = 1-6МВт!см1) Таким образом, при облучении мишени МР-излучением постоянной остается доля энергии, расходуемая на эрозию - 2% Напротив, для плазменного воздействия характерна зависимость т сс 1/£> - плотность энергии

1 Г=С0ЛЛ/

плазменного потока в диапазоне <2 = 130 -1200 Дж/см2, г - его длительность), и с увеличением £3 доля энергии, расходуемая на эрозию, непрерывно уменьшается

Исследования, проведенные с использованием МР-спектрометра и камеры-обскуры, показали, что плазма возле боковой графитовой мишени, облучаемой потоком МР-излучения мощностью 6 МВт!см2, сама начинает излучать в этом диапазоне только в том случае, когда наряду с излучением на нее воздействует плазменный поток мощностью 1 МВт!см2 и более В противном случае температура плазмы остается на низком уровне, и потому в спектрах, снятых в диапазоне X <1050 Л, отсутствуют линии, характерные для ионов углерода с кратностью ионизации больше единицы

Скоростная киносъемка в видимом диапазоне показывает, что скорость расширения ЭС возле боковой мишени, а, следовательно, и температура плазмы ЭС, слабо зависят от интенсивности облучения поверхности боковой мишени Спектры, полученные в видимом диапазоне, демонстрируют преобладание линий СII, что соответствует температуре углеродной плазмы ЭС Те= 1 5-25 эВ Плотность плазмы ЭС, рассчитанная по уширению линий с учетом эффекта запирания излучения и по сдвигу максимума относительно

центра линии, составляет ^=(1-7) 10" см'3 Таким образом, плазма ЭС при воздействии рентгеновского излучения существенно более плотная и холодная, чем при воздействии плазменного потока

Рассчитанная по измеренным данным энергия, приходящаяся на каждый испаренный атом, равна примерно 0 2 кэВ Поскольку энергия, запасаемая в плазме, в пересчете на один ион гораздо меньше этой величины, то большая часть энергии, приходящей в ЭС, должна из него переизлучиться Таким образом, радиационные потери играют доминирующую роль в энергетическом балансе независимо от того, доставляется энергия в экранирующий слой рентгеновскими квантами или частицами плазмы

Далее рассмотрен вопрос согласованности сделанного вывода об экранировании и измеренных параметров плазмы ЭС Для экранирования поверхности необходимо, чтобы плазменный слой поглощал значительную часть энергии внешнего излучения и далее рассеивал ее, переизлучая в широком телесном угле Оценки, выполненные на основе приводимых в литературе данных о коэффициенте поглощения графитовой плазмы, показывают, что низкотемпературная (Те <5 эВ) мишенная плазма действительно может поглощать большую часть падающего излучения Согласно оценкам, сквозь ЭС проходит только наиболее жесткая (А <85 эВ) часть спектра излучения Отмечается, что высокотемпературная плазма не в состоянии экранировать поверхность мишени, поскольку при Г>5-10эВ резко падает коэффициент поглощения углеродной плазмы для МР-излучения вольфрамовой плазмы

В отличие от поглощения, переизлучение энергии из ЭС не удается непротиворечиво описать, исходя из измеренных параметров ЭС Наблюдается несоответствие между потоком энергии 3 — 4 Дж / см2, переизлучаемым плазмой ЭС, и температурой Те=2 5эВ 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 Те<2 5эВ Делается вывод, что температура плазмы, по-видимому, больше, чем это следует из оценки, основанной на доминировании линий иона С*' 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 Те = 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 Те - 4 — 5 эВ Оно основано на том, что плазма ЭС расширяется вдоль линии наблюдения и регистрируется в основном излучение «холодных» периферийных слоев, 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 10" -1018 см~ъ

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 Я >1500 А высока скорость эрозии, поэтому велика плотность, мала температура плазмы ЭС (Т&1эВ) 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

В Заключении сформулированы основные результаты работы и обоснована их практическая значимость

В диссертационной работе получены следующие основные результаты

I Изучены характеристики потоков водородной и дейтериевой плазмы на экспериментальных установках 2МК-200 и МК-2001Ю Показано, что потоки, движущиеся в продольном магнитном поле В ю 20—25 кГс, имеют характерные параметры плотность - п~5 1015 см'2, температуру - Г и 150 эВ, Т ~ 1 кэВ, длительность - 15-35 мкс, плотность мощности - Ж = 5 - 5 0 МВт / см2

II Проведены исследования процесса взаимодействия потока водородной (или дейтериевой) высокотемпературной плазмы мощностью 2-50 МВт/см2 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

2 На основе данных, приведенных в монографии Цикулина М А и Попова Е Г «Излучательные свойства ударных волн в газах», М , Наука, 1977

последующие 15-35мкс, те в течение основной части процесса взаимодействия

2. Ключевой характеристикой слоя мишенной плазмы является его высокая температура, достигающая Т = 30 - 90 эВ (при плотности плазмы п< = (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 2 (графит), так и очень большим 2 (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.

4 Главным механизмом экранирования поверхности является 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 счет 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 (у -./„„„)/ 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/см1 со спектром, лежащим в диапазоне 30</1<30(М 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 л =10"-10" см'1 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 , Vasemn S., Wuerz H , Zhitlukhm A , Plasma-materials interaction under simulated disruption conditions // Fusion Technology-1994, Eds К Herschbach, W Maurer, J EVetter, Amsterdam Elsevier, 1995, vol l,p 463

2 Arkhipov N, Bakhtin V , Safronov V, Toporkov D, Vasemn S., Wuerz H, Zhitlukhm A, Plasma temperature measurements in disruption simulated experiment // Fusion Technology-1994, Eds К Herschbach, W Maurer, J E Vetter, Amsterdam Elsevier, 1995, vol 1, p 395

3 Arkhipov N , Bakhtin V , Safronov V , Toporkov D , Vasemn S., Wuerz H, Zhitlukhm 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 H 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 токомаке // 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 , Zhitlukhm A , Study of plasma target interaction under plasma stream power density of 40 MW/cm2 // Fusion Technology-1996, Eds С Varandas, F Serra, Amsterdam Elsevier, 1997, vol l,p 507

6 Arkhipov N , Bakhtin V , Bazylev В , Landman I, Safronov V , Toporkov D , Vasenin S., Wuerz H, Zhitlukhm 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., Zhitlukhm A, Study of graphite erosion under lateral radiation from target plasma // Fusion TechnoIogy-1998, Eds В Beaumont et al, Amsterdam Elsevier, 1999, vol l,p 105

8 Архипов H И , Васенин С Г., Сафронов В М , Житлухин А М , Половцев Н А , Топорков Д А, Многокадровая МКП-камера для MP 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, Zhitlukhm 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 , Zhitlukhm 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 H 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, Bakhtm V, Kurkin S , Toporkov D, Safronov V, Vasenin S., Wuerz H, Zhitlukhm 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, Zhitlukhm A , Material erosion and erosion products in disruption simulation expenments at the MK-200UG facility // Fusion Engineering and Design, 2000, v 49-50,2000, p 151

15 Архипов H 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 Arkhjpov N, Bakhtin V , Kurkin S , Safronov V , Scaffidi-Argentina F , Toporkov D , Vasenm 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 H И , Вассшш 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 H 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, с 178

21 Arkhipov NI, Bakhtin V Р , Kurkin S М, 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 В, Kappler К, 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 (PSI-96), St -Raphael, May, 1996, p 341

23 Bazylev В , 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 m Controlled Fusion Devices (PSI-98), San Diego, May, 1998, p 200

24 Архипов H 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 _

ВАСЕНИН СЕРГЕЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

ФОРМИРОВАНИЕ ЭКРАНИРУЮЩЕГО СЛОЯ И ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА ЭНЕРГИИ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ИНТЕНСИВНЫХ ПОТОКОВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ С ТВЕРДОТЕЛЬНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

Подписано в печать 27 Об 08 Формат 60 х 84 1/16 Тираж 150 экз Заказ №21

МФТИ, Издательский сектор оперативной полиграфии, НИЧ 141700, Московская обл, г Долгопрудный, Институтский пер, д 9

Список используемых сокращений 4 Введение

В.1. Объект исследования

В.2. Актуальность проблемы

В.З. Обзор работ по теме исследования

В.4. Цель исследования, направления и методы решения

В.5. Содержание работы

Глава I. Экспериментальные установки и методы диагностики

§ 1. Ускоритель МК

§2. Установка 2МК

§3. Установка МК-200Ш

§4. Установка МК-200СШР

§5. Диагностические методы:

5.1. Контроль режимов работы ускорителя

5.2. Определение характеристик плазмы

5.3. Изучение воздействия плазмы на облучаемую мишень

Рисунки к Главе I

Глава II. Исследование свободных потоков водородной плазмы

§ 1. Кольцевой поток на установке 2МК

1.1 Определение геометрических и энергетических характеристик потока

1.2. Измерение плотности и температуры

§2. Осевой поток на установке МК-200иС:

2.1. Измерение параметров потока в плазмопроводе

2.2. Измерение параметров потока в диагностической камере

§3. Кольцевой поток на установке МК-200Си8Р

§4. Вычисление плотности мощности потока на установках

2МК-200 и МК-200Ш

Выводы к Главе II

Рисунки к Главе II

Глава III. Исследование потока энергии, приходящего на поверхность облучаемой плазмой мишени

§1. Определение энергии, дошедшей до поверхности:

1.1. Измерение эрозии облучаемой поверхности

1.2. Анализ теплопередачи в конденсированной среде

§2. Измерение скорости эрозии в реальном масштабе времени

§3. Эффективность экранирования мишени приповерхностной плазмой

§4. Определение механизма переноса энергии на мишень

§5. Исследование излучения, проходящего сквозь прозрачную мишень:

5.1. Измерение интенсивности в различных спектральных диапазонах

5.2. Спектральный анализ излучения

Выводы к Главе III

Рисунки к Главе III

Глава IV. Свойства плазмы экранирующего слоя

§1. Исследования параметров плазмы на установке 2МК-200:

1.1. Динамика приповерхностного слоя

1.2. Электронная температура и плотность

1.3. Спектральные измерения

1.4. Радиационные потери

§2. Исследования параметров плазмы на установке MK-200UG:

2.1. Динамика приповерхностного слоя

2.2. Спектральные измерения

2.3. Электронная температура и плотность

2.4. Давление плазмы и параметр (

2.5. Радиационные потери

§3. Баланс энергии на установке 2МК-200:

3.1. Роль радиационных потерь в балансе энергии

3.2. Влияние мишени на приходящую в экранирующий слой энергию

3.3. Дополнительные эксперименты на 2МК-200 и MK-200CUSP

3.4. Балансовые уравнения экранирующего слоя

§4. Баланс энергии на установке MK-200UG:

4.1. Удельные радиационные потери

4.2. Эффект самоэкранирования потока

4.3. Балансовые уравнения экранирующего слоя

§5. Сравнение радиационных потерь на установках 2МК-200 и MK-200UG

§6. Перенос энергии в плазме перед мишенью, облучаемой на установках 2МК-200 и MK-200UG:

6.1. Перенос энергии в потоке при наличии мишени

6.2. Перенос энергии во внешних областях экранирующего слоя

6.3. Перенос энергии в приповерхностной зоне экранирующего слоя

Выводы к Главе IV

Рисунки к Главе IV

Глава V. Воздействие излучения экранирующего слоя на близлежащие материалы

§ 1. Расчёт и измерение потока энергии излучения на поверхность боковой мишени

§2. Эрозия поверхности боковой мишени

§3. Излучение приповерхностной плазмы:

3.1. Исследования в мягком рентгеновском диапазоне

3.2. Исследования в видимом диапазоне

§4. Баланс энергии приповерхностной плазмы. Сравнение эффекта экранирования от потока плазмы и от потока излучения

Выводы к Главе V

Рисунки к Главе V

В.1. Объект исследования

Изучение эффектов, сопровождающих взаимодействие плазмы с твёрдотельными телами, началось с появлением первых плазменных установок и продолжается до сих пор. Обнаружилось, что под воздействием плазмы вблизи поверхности могут происходить многочисленные взаимосвязанные процессы энергетического, массового и зарядового обмена частиц плазмы с атомами материала. Результатом воздействия плазмы на мишень является десорбция атомов и молекул с поверхности тела, распыление и испарение материала мишени, изменения структуры и фазового состояния материала, образование на поверхности новых химических соединений и т.д. С другой стороны, наличие мишени отражается на характеристиках плазмы, влияет на её температуру, химический и ионизационный состав, излучательную способность, может приводить к развитию плазменных неустойчивостей [1]. При этом, в свою очередь, могут измениться потоки частиц и излучения на поверхность мишени. Таким образом, взаимодействие плазмы с материалами носит сложный характер, и значимость того или иного процесса, сопровождающего взаимодействие, определяется всей совокупностью характеристик плазмы и свойств мишени, а. также конкретными условиями проведения эксперимента.

Во многих случаях, однако, удобно выделить ключевые параметры взаимодействия, разбивающие всё многообразие характеристик плазмы на несколько категорий, в каждой из которых доминирующими становятся свои процессы. В качестве определяющих параметров можно рассмотреть характерную энергию частиц и поток энергии из плазмы на поверхность. При такой классификации выделяются потоки низко- и высокотемпературной плазмы, которые могут быть как небольшой, так и значительной мощности.

Предметом изучения в диссертационной работе является взаимодействие с мишенью в том случае, когда поток образует достаточно плотная высокотемпературная плазма, обладающая, таким образом, большой плотностью тепловой энергии. Тем не менее, в начале имеет смысл кратко остановиться на трёх других категориях вышеприведённой классификации.

Наибольшее число исследований (например, [2-4]) посвящено взаимодействию с поверхностью низкотемпературной плазмы (НТП), образующей поток относительно небольшой плотности мощности. Характерная кинетическая энергия частиц такой плазмы £<10э5; тот же порядок имеет потенциальная энергия ионов - энергия рекомбинации. Огромное разнообразие установок и приборов, использующих НТП небольшого давления, предопределяет основной интерес к плазме с небольшими тепловыми потоками. Основное внимание уделяется явлениям в приэлектродной области установок с газоразрядной плазмой и влиянию приповерхностных явлений на процессы, происходящие в объёме плазмы.

При использовании НТП атмосферного давления её тепловая энергия достаточна для интенсивного нагрева и даже испарения материалов. В этом случае наряду с явлениями, происходящими в НТП небольшого давления, возможен новый класс процессов, связанный с интенсивным поступлением в приповерхностную плазму материала мишени в виде атомов, кластеров или мелкодисперсных частиц. Мощное термическое воздействие плазмы возникает при плотности тепловых потоков более 0.2-г 0.5 кВт/см2 и в основном исследуется применительно к технологическим установкам, использующим плазму как теплоноситель или/и носитель химически активных веществ. Типичным генератором плазмы данного типа является плазмотрон. Плазму плазмотрона используют для резки и соединения материалов, поверхностной обработки, получения ультрадисперсных порошков, также её применяют для проведения неравновесных плазмохимических реакций [5,6].

Действие высокотемпературной (в эту категорию будем относить плазму с энергиями частиц от сотни эВ до десятков кэВ) плазмы на материалы изучалось, прежде всего, в контексте работ по управляемому термоядерному синтезу. В установках с магнитным удержанием плазмы взаимодействие плазмы со стенкой носит в основном нежелательный характер: образующиеся ионы материала стенки увеличивают темп радиационного охлаждения плазмы. Естественно, поэтому, что основное внимание было привлечено к случаю, когда плазма двигалась на стенку поперёк силовых магнитных линий, и тепловая нагрузка на элементы первой стенки предполагалась небольшой. Уже в первых теоретических работах [7-9] было показано, что вблизи стенки образуется слой плазмы, в котором происходит циркуляция частиц. Это явление, получившее впоследствии название «рециклинг», возникает из-за того, что поверхностный слой материала захватывает большое количество падающих ионов и при дальнейшей бомбардировке происходит высвобождение захваченных частиц, а не распыление материала стенки. Рециклинг приводит к многократному превышению потока частиц на стенку по сравнению с потоком из горячей области плазмы. В результате уменьшается энергия взаимодействующих с поверхностью частиц и резко снижается скорость эрозии стенки. В последующих исследованиях теория прйстеночной плазмы была значительно расширена за счёт включения процессов, характерных для плазмы вблизи лимитеров и диверторов таких установок, как токамаки и стеллараторы (см., например, обзоры [10-13]). Во всех существующий моделях рециклинг изотопов водорода является ключевым фактором, определяющим перенос частиц и энергии в приповерхностной плазме токамаков. На квазистационарной стадии разряда основным источников примесей в пристеночной плазме является физическое распыление [13, с. 154], и потому процент примесей в плазме оказывается относительно небольшим. Для этого требуется, чтобы рабочая температура даже термически наиболее нагруженных элементов материальной стенки токамака - диверторных пластин - была гораздо ниже порога радиационно-стимулированной сублимации [11]. Соответственно, ограничивается максимально допустимый тепловой поток из плазмы на диверторные пластины. Например, разрабатываемая для токамака-реактора ИТЭР система принудительного охлаждения пластин способна в стационарных условиях отвести от их поверхности не более 0.5 -ь 1 кВт /см2 [14].

При повышении тепловой нагрузки температура поверхности материала увеличивается до температуры кипения, начинается испарение, сопровождаемое интенсивной инжекцией атомов мишени в плазму. Появление значительного количества атомов и ионов материала в приповерхностном плазменном слое меняет его характеристики, что приводит к перестройке процессов переноса энергии в этом слое. Характерной чертой взаимодействия интенсивного потока высокотемпературной плазмы (ИПВП) с материалами является присутствие в непосредственной близости мощного резервуара энергии (кинетическая энергия высокотемпературной водородной плазмы) и не менее мощного конвертера, способного её преобразовывать. Конвертером служат ионы со средним или большим X, способные, во-первых, переводить энергию из кинетической в потенциальную в процессе обдирки ионов, и, во-вторых, переизлучать энергию в том или ином диапазоне электромагнитных волн. Наряду с плазменной частью рассматриваемой задачи требуется учитывать также наличие твёрдотельной 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 ионам с большим 2, интенсивного излучения таких ионов, переноса излучения в плотной плазме, испарения и ионизации вещества мишени, переноса энергии на поверхность мишени, механизмов разрушения (эрозии) поверхности мишени, теплопередачи в конденсированном веществе.

В.2. Актуальность проблемы

До недавнего времени систематические исследования взаимодействия высокотемпературной плазмы большой мощности с твёрдотельными мишенями не проводились. К концу 80-х годов XX века в этой области физики плазмы существовали только разрозненные экспериментальные факты, полученные на разнородных установках, и весьма приблизительные и, как выяснилось позднее, во многом неточные теоретические представления.

Повышенный интерес к исследованию данного вида взаимодействия «плазма/поверхность» возник в начале 90-х годов и был инициирован окончанием стадии концептуальной разработки токамака-реактора ИТЭР[15] и началом стадии инженерного проектирования. К этому времени ясно обозначилась проблема, связанная с воздействием плазмы на элементы первой стенки и дивертора токамака (plasma facing components) во время срыва тока.

Дело в том, что энергозапас плазмы в проектируемом токамаке составляет 600 МДж [16]. На тепловой стадии срыва тока (thermal quench phase) за время 0.1-3 мс около 80% энергии плазмы может быть выброшено на стенки реактора. Наибольшие тепловые нагрузки ожидаются в тех местах, где силовые линии пересекаются с поверхностью. В токамаке ИТЭР, обладающим диверторной конфигурацией магнитного поля, наиболее нагруженными оказываются приёмные диверторные пластины. Согласно расчётам [16-19], на квадратный сантиметр поверхности пластин может прийтись в зависимости от сценария срыва от 1 до 10 кДж тепловой энергии плазмы. Предполагаемая при этом тепловая нагрузка составляет 1-т-ЮО МВт/см2. Ни один материал не способен противостоять таким потокам энергии без эрозии поверхности, потому условия в диверторе во время срыва будут соответствовать рассмотренному выше случаю взаимодействия потока высокотемпературной плазмы большой мощности с твёрдотельной мишенью.

Первые расчёты эрозии диверторных пластин [17] проводились в предположении, что при срыве половина теплового потока плазмы достигает

Т-, ,ог. мкм-см2 поверхности. Полученная величина эрозии (80- для графитовои кДж мкм-см2 пластины и 85- для вольфрамовой) оказалась совершенно кДж неприемлемой с точки зрения практической реализуемости проекта ИТЭР, поскольку в этом случае только на стадии физического запуска токамака потребовалось бы десятки раз произвести трудоёмкую замену диверторных пластин. Проведённая следом с помощью лазерных и электронных пучков [2022] имитация срывных тепловых потоков только усилила пессимизм, так как

ТЛ ^г, мкм-см2 „ мкм-см2 выявила скорости эрозии 70 ч- 220- для графитовои и 25-для кДж ' кДж вольфрамовой мишеней. Стало ясно, что перспективы реализуемости проекта ИТЭР во многом зависят от того, можно ли гарантировать приемлемую величину эрозии диверторных пластин во время срывов. В противном случае необходимо искать подходы к работе токамака совсем без срывов, что представляется затруднительным при сегодняшнем понимании физики больших токамаков [23].

Таким образом, необходимость моделирования условий в диверторе токамака ИТЭР во время срывов не вызывает сомнений. Тем не менее, ни одна из имеющихся в настоящее время экспериментальных установок не в состоянии в полном объёме воспроизвести условия облучения мишеней, имеющие 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 физики взаимодействия интенсивных потоков плазмы с твёрдотельными мишенями в условиях, максимально приближенных к условиям токамака. Особое внимание должно быть обращено на выявление параметров облучения, оказывающих наибольшее влияние на процесс взаимодействия «плазма-поверхность», в частности на величину эрозии облучаемой мишени.

Второй задачей, стимулирующей исследования взаимодействия ИПВП с материалами, является разработка физических основ плазменных технологий [24]. 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 высокотемпературными импульсными потоками плазмы [25-27]. Большинство работ, ведущихся в этой области, сосредоточены на изучении 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 эрозии поверхности на такой перенос является важным фактором для оптимизации процесса обработки поверхности, быстрого нахождения режима облучения, эффективно реализующего ту или иную плазменную технологию.

Наконец, третий фактор, влияющий на актуальность изучения воздействия ИПВП на твёрдотельные мишени, связан с упомянутым выше мощным конвертером энергии налетающего потока - сильно излучающей плазмой ионов с большим Ъ. Заранее можно сказать, что наличие такой плазмы сближает изучаемый процесс взаимодействия ИПВП с материалами с типичными процессами радиационной плазмодинамики: радиационноплазмодинамическими разрядами эрозионного типа и взаимодействием мощного электромагнитного (когерентного и теплового) излучения с конденсированными средами [28]. Следовательно, в исследованиях оказываются затронуты такие актуальные задачи радиационной плазмодинамики [29], как изучение физических принципов генерации высокояркого коротковолнового (УФ-, ВУФ- и МР-) 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 А). По этой причине значительное внимание в диссертационной работе уделено изучению спектральных и энергетических характеристик излучения приповерхностной плазмы.

В.З. Обзор работ по теме исследования

В конце 70-х - начале 80-х годов XX века появилось несколько экспериментальных и теоретических работ, посвященных взаимодействию интенсивных потоков высокотемпературной плазмы с твёрдотельными материалами. Предметом изучения послужили явления, имеющие место в установках с магнитным удержанием плазмы - тета-пинчах и токамаках.

В работах [30-33] рассматривался вопрос о возможности уменьшения концевых потерь из линейных тета-пинчей при использовании материальных концевых мишеней-пробок. Эксперименты были выполнены на установке Scylla IV-P. В момент максимума поля параметры удерживаемой плазмы (и = 1.5-1016 см'3, Г =550 эВ, Т: =2.7 кэВ) соответствовали тепловой нагрузке на поверхность мишеней порядка 300 МВт/см2, что неизбежно вызывало интенсивную эрозию мишени и появление плотного слоя приповерхностной плазмы. Обнаружено [31, 32], что наличие мишеней из дейтерида лития более, чем в 3 раза увеличивает время удержания энергии в системе, в то время как для других материалов (нитрид бора, кварцевое стекло) этот эффект невелик (20-30%). Авторы [30-32] объясняли этот эффект упругим отражением назад ионов дейтерия от ионов мишенной плазмы. Необходимым условием такого отражения явилось бы относительно небольшая скорость торможения на электронах, что выполняется только, если температура мишенной плазмы Те > 50 эВ. Прямые измерения электронной температуры методом лазерного рассеяния авторам провести не удалось из-за интенсивного собственного излучения мишенной плазмы [32], а косвенные оценки [33] дали результат, противоположный ожидаемому: температура сильноизлучающей плазмы у поверхности мишени из кварцевого стекла оказалась равна Г =25 эВ (причём эта плазма хорошо удерживается магнитным полем величиной 40 кГс), в то время как вблизи мишени из дейтерида лития Г =\эВ (при этом приповерхностная плазма легко выдавливается на периферию поперёк линий магнитного поля). Таким образом, гипотеза о механизме экранирования поверхности за счёт упругого отражения энергичных дейтонов от плотного слоя мишенной плазмы не получила своего экспериментального подтверждения, и характер экранирования остался нераскрытым. В то же время сам эффект экранирования проявился очень ярко - измеренная величина эрозии кварцевой мишени (0.3 мкм) более чем в 1000 раз меньше ожидаемой в том случае, когда все энергичные дейтроны доходят до поверхности [33].

В предыдущей серии статей главной задачей было исследование способа защиты горячей плазмы от нежелательного охлаждающего влияния стенок. Несколько с другой точки зрения процесс взаимодействия рассмотрен в работах, связанных с инжекцией твёрдотельных крупинок в высокотемпературную плазму токамаков или стеллараторов. В плазме токамака тепловые нагрузки на поверхность крупинок доходят до десятков МВт /см2, однако до своего полного испарения они успевают пролететь довольно большое расстояние (порядка метра [34]), что было бы невозможно, если бы не существовал эффект самоэкранирования макрочастицы - идея, обсуждавшаяся ещё на заре термоядерной программы Спицером и Тонксом [35]. Большинство работ посвящено криогенным водородным макрочастицам, обеспечивающим подпитку плазмы новым веществом в период её удержания. Помимо того, в серии работ [36-38] изучалось испарение тугоплавких макрочастиц с целью развития новых методов диагностики высокотемпературной плазмы.

В работе [38] углеродная крупинка диаметром 0.5 мм инжектировалась вдоль малого радиуса токамака Т-10 со скоростью 104 см/с. Построенная в [38] аналитическая модель испарения частицы, хорошо описывающая экспериментальные данные, показывает, что энергия на поверхность макрочастицы доставляется в основном электронами. Экранирование поверхности углеродной крупинки разлетающимся облаком нейтралов довольно слабое - они поглощают не более 50% энергии потока электронов. Что касается плазмы, формирующейся при ионизации нейтралов, то она практически не принимает участие в экранировании, что связано с полоидальным вращением плазмы токамака со скоростями 105 ч-106 см / с. В результате, образующаяся углеродная плазма быстро (за время меньше 0.5 мкс) смещается с силовых линий, вдоль которых в текущий момент происходит воздействие электронов, и плазменного экранирования теплового потока не происходит.

Анализ различных моделей абляции криогенных водородных макрочастиц, проведённый в [34, 39], подтвердил вывод, что плазменное экранирование не вносит существенный вклад в скорость абляции. Оказалось, что одна из первых моделей [40, 41], предложенная ещё в 70-х годах и учитывающая только газовое экранирование (neutral gas shielding (NGS-) model), адекватно описывает большинство экспериментальных данных, полученных на токамаках. Таким образом, можно сделать вывод, что эрозия макрочастиц в плазме токамака происходит в специфических условиях чрезвычайно быстрого сдува слоя ионизирующихся паров, и потому подобные эксперименты не могут дать информацию о величине эрозии и параметрах приповерхностной плазмы в условиях, когда перед облучаемой мишенью плазма паров присутствует.

Ещё одной областью, где исследователи столкнулись со значительными тепловыми потоками из плазмы на материалы, явились работы по стеночному удержанию плазмы. В таких экспериментах высокотемпературная плазма с (5> 1 непосредственно контактирует с металлическими стенками окружающего его лайнера, а магнитное поле, параллельное поверхности лайнера, используется только для подавления поперечной теплопроводности плазмы [42]. Из экспериментальных работ стоит отметить исследования на электромагнитной ударной трубе Колумбийского университета, в которых с помощью скоростного (временное разрешение - 200не) ИК-болометра был измерен тепловой поток из плазмы на стенку [43-45]. Оказалось, что дейтериевая плазма с параметрами пе = 1016 см~3, Г да 500 эВ, Те да 30 эВ, помещённая в поле В -9 кГс и приведённая в контакт со стенкой, обеспечивает в первые несколько микросекунд поток энергии на стенку 100 + 300 кВт/см2. Эрозия материала стенки зависела от его теплопроводности: медные образцы оказались практически неповреждёнными, в то время как образцы из нержавеющей стали сильно эродировали. Измеренный поток энергии практически совпал с теоретическими оценками, проделанными для классического переноса тепла поперёк поля, что дало основание авторам [45] заявить о том, что пристеночный слой не является неустойчивым или турбулентным, и его свойства могут быть описаны на основе классических коэффициентов переноса. К сожалению, определение параметров пристеночной плазмы не входило, по-видимому, в задачу исследователей, и потому осталось неясным, как интенсивная эрозия стенки могла изменить процессы в приповерхностном слое.

В теоретических работах [46-48] изучалась возможность снижения катастрофической эрозии элементов перспективного токамака (лимитера или приёмных пластин дивертора) в условиях срывов. Для этой цели А.Сестеро предложил использовать «виртуальный лимитер» - плотную холодную плазму с большим Z, формирующуюся вблизи поверхности лимитера за счёт испарения его материала. В [46] определены условия, при которых энергичные ионы и электроны будут полностью тормозиться в плазме «виртуального лимитера» и переизлучать свою энергию на ионах с большим Z. Энергия оказывается рассредоточенной по большой площади, чем и достигается требуемая степень защиты поверхности лимитера. В последующих работах [47, 48] было показано, что «виртуальный лимитер» не требуется создавать искусственно, во многих случаях он быстро возникает сам по себе в начальный период срыва. Модельные формулы, использующиеся в [46-48], имели несколько свободных параметров и не позволяли напрямую вычислить характеристики мишенной плазмы по параметрам налетающего плазменного потока. Главная роль, которую сыграли эти работы, заключалась в привлечении внимания к эффекту самоэкранирования поверхности, эродирующей под действием мощного потока плазмы. Кроме того, было показано, что возможен нагрев плазмы «виртуального лимитера» до температуры 10-^20э£ даже для тяжёлых элементов (например, молибдена).

Идеи Сестеро получили развитие в работах [49-53]. Например, в [49], по-видимому, впервые был введён термин «экранирование испарением» (vapour shielding), получивший впоследствии широкое распространение. В ряде статей было убедительно доказано, что поток «горячих» ионов и электронов должен тормозиться в «холодной» пристеночной плазме, вызывая её нагрев и расширение навстречу потоку. Оказалось, однако, что аналитическое рассмотрение этого процесса встретило большие трудности. Они связаны с тем, что перенос энергии в слое «холодной» плазмы в значительной мере обусловлен излучением. Перенос излучения зависит от параметров плазмы, а они, в свою очередь, определяются энергией, доходящей до поверхности и вызывающей её эрозию. Таким образом, небольшие ошибки в определении потока энергии на стенку могут приводить к существенным ошибкам в определении параметров пристеночной плазмы.

В качестве примера можно рассмотреть результаты постепенно совершенствующихся расчётов [54-57]. Было показано, что величина эрозии существенно зависит от точности представления спектра плазмы. Переход от одногруппового метода учёта переноса излучения (т.е. от приближения «серого тела») к многогрупповому (50 спектральных групп) привёл к уменьшению эрозии в 3 раза. Более точный расчёт с использованием 750 групп показал величину эрозии ещё в 2 раза меньше. Соответствующим образом изменились и параметры плазмы. Если в первых расчётах плазма паров имела температуру 2-т-АэВ (при облучении потоком 10 МВт/ см1), то впоследствии она увеличилась до 3 + 7 эВ для тяжёлых (вольфрам) и до 4-ПО эВ для лёгких (графит) элементов материала мишени. Позднее в расчётах было учтено влияние смешения водородной плазмы и плазмы паров на оптические характеристики приповерхностного плазменного слоя, что привело к дальнейшему росту температуры [57].

В конце 80-х - начале 90-х годов были проведены эксперименты по облучению твёрдотельных мишеней мощными плазменными потоками, генерируемыми плазменными ускорителями.

В работе [58, 59] мишень из нержавеющей стали облучалась я л ( я сверхзвуковым потоком водородной плазмы с р «1 (здесь и далее: р =-—, В где: Р = пс(Те+Т); Ве - внешнее по отношению к плазме магнитное поле), генерируемой мощным импульсным коаксиальным ускорителем на установке МК-200 [60]. Параметры потока (у = 4 • 107 см/с, пе = 8 • 1015 см'3, Г +Т =250 эВ) соответствовали тепловой нагрузке на поверхность мишени 70 МВт/см2; взаимодействие происходило в магнитном поле величиной 9 кГс. Обнаружено, что на нагрев мишени расходуется не более 10% энергии потока. Вблизи поверхности мишени наблюдался слой плотной холодной плазмы пе ~ 1018 см 3, Г «5 эВ), отходящий от поверхности со скоростью 4 • 105 см/с.

Спектральные исследования состава слоя не проводились. Количественный анализ полученных результатов и численное моделирование условий эксперимента сильно затруднялись обтеканием мишени плазмой, что явилось результатом формирования в налетающем потоке бесстолкновительной ударной волны [58] и существенно двумерным характером течения плазмы за её фронтом.

Эрозия мишеней при облучении плазменными потоками квазистационарных (г«100л!/сс) ускорителей была изучена в работах [61-63] на двух похожих установках ВИКА [64] (НИИЭФА, Санкт-Петербург) и РЬАБ18 (Университет Нью-Мексико, США). Мишени располагались невдалеке от торца ускорителя в области радиальной компресии плазменного потока, где достигалась значительная плотность мощности теплового потока 2 . , . 9 /п , мкм • см

10 -^20 МВт/см". Обнаруженные величины эрозии (8-ИЗ- для кДж графитовой и 0.5 0.8 МКМ °М для вольфрамовой мишени) свидетельствовали кДж об эффективном экранировании поверхности, и потому эти экспериментальные данные (наряду с другими, полученными на установках МК-200, 2МК-200 и КСПУ) привели к пересмотру результатов расчётов [15] и выводу [65] о том, что срывная эрозия диверторных пластин не так опасна, как это представлялось раньше. Следует, однако, отметить, что такие данные были получены в условиях сильного обтекания мишени плазменным потоком. Измеренные параметры потока V = 1.2■ 107 см/с, пе = 5-1017 см'3, Те+Т(&\0эВ соответствуют ситуации, когда на мишень налетает сверхзвуковая (М>3) струя столкновительной (/7" «10~4 см) плазмы, поэтому перед мишенью формируется головной скачок уплотнения, с которым в дальнейшем взаимодействует отходящий от поверхности слой плазмы паров. Низкая температура налетающей плазмы приводит к тому, что даже в сильном магнитном поле {В = 30 кГс) электронная компонента оказывается незамагниченной (т" ■ mL < 1), и потому магнитное поле не должно влиять на движение плазмы. В результате, во-первых, взаимодействие плазмы с поверхностью происходит в условиях, совершенно не характерных для диверторной плазмы токамака, и, во-вторых, для моделирования такого взаимодействия требуется по существу новые расчётные коды, и потому тестирование имеющихся программ путём сравнения расчетов с данными экспериментов на квазистационарных ускорителям затруднительно. Более того, как показали последующие измерения [66], в спектрах ВУФ излучения пристеночной плазмы совершенно не присутствуют линии, характерные для ионов материала мишени (углерода и вольфрама), зато наблюдаются линии фтора высокой кратности ионизации, источником которых является материал изолятора ускорителя - тефлон. Причина отсутствия линий углерода и полного доминирования линий фтора выявлена не была, поэтому численное моделирование такой ситуации оказалось невозможным.

В дальнейшем были также проведены эксперименты с мощными квазистационарными ускорителями КСПУ (ТРИНИТИ, Троицк) [67] и КСПУ Х-50 (ХФТИ, Харьков) [68], в которых реализована схема ионного токопереноса, предложенная А.И. Морозовым [69] и позволившая увеличить длительность потока до 150 -f 600 мкс. В экспериментах [70, 71], где взаимодействие с мишенью происходило в магнитном поле 0 -ь 7 кГс, при тепловом потоке 1.5 -г- 20 МВт/см2 была зарегистрирована удельная эрозия . Л мкм • см2 . . . мкм • см2 .

0.4 ч- 2- для графитовои и 1.5- для вольфрамовой мишени. кДж кДж

Электронная температура пристеночной плазмы при этом оказалась равной 2ч-3 эВ [72]. Было обнаружено обтекание мишени как налетающим потоком [72], так и образующейся мишенной плазмой [70, 72]. Таким образом, описанные эксперименты на КСПУ и КСПУ Х-50 также продемонстрировали эффективность экранирования, но оказались сложны для численного моделирования и далеки от ситуации в ИТЭР.

Сам по себе эффект экранирования не является исключительной чертой взаимодействия мощных плазменных потоков, и проявляется также и в экспериментах с умеренными тепловыми потоками. Например, в [73] сообщается о небольшой величине удельной эрозии графитовой мишени мкм-см2

13- при длительном (20 мс) облучении потоком плазмы мощностью кДж кВт всего 25-Для возможности экстраполяции результатов экспериментов см гораздо большее значение, чем сама величина эрозии, имеет выяснение механизма экранирования, исследование энергетических каналов диссипации энергии, поглощённой плазмой экранирующего слоя (далее - ЭС). С этой точки зрения интересны экспериментальные результаты, полученные при облучении мишеней потоками излучения, и те выводы, которые можно сделать из их анализа.

В работах [74-76] изучалось воздействие излучения сплошного спектра на твёрдое вещество. Источником излучения служила сильная ударная волна (УВ), образуемая в результате взрыва заряда взрывчатого вещества с кумулятивным каналом, наполненным инертным газом. В ксеноне фронт УВ имел яркостную температуру 3 + 5 эВ. На мишень, установленную перед фронтом, в течение

5-ПО мкс воздействовал лучистый поток величиной до Ж НОН5 МВт!см2. Спектр излучения УВ в условиях эксперимента был близок к планковскому, за исключением коротковолновой части (Л <1000 А), которая не проходила сквозь холодный газ между фронтом и мишенью. Было обнаружено, что под действием излучения у поверхности мишени образуется светящаяся область, которая со временем расширяется со скоростью К = (0.4Н.1)• 10ъсм/с, зависящей от величины лучистого потока и материала мишени. В спектре светящейся области найдены линии материала мишени, в основном нейтральных атомов и молекул, а также однозарядных ионов. Измерения яркостной температуры паров в разных спектральных диапазонах дали величину порядка 1 эВ. Как показано в [74, 77, 78], образование достаточно горячего приповерхностного слоя объясняется тем, что независимо от начальной прозрачности паров при большой интенсивности падающего излучения за счёт ультрафиолетовой части спектра происходит разогрев паров до температуры, при которой они интенсивно ионизуются. При этом эффективным становится тормозное поглощение квантов излучения оптического и инфракрасного диапазона, и слой паров оказывается практически непрозрачным для падающего излучения. Испарение мишени не прекращается, поскольку излучают сами нагретые пары. Интенсивность и спектральный состав этого излучения определяются не столько первичным излучением, сколько оптическими свойствами испарённого вещества. Энергия, приходящая на поверхность, определяется процессами переноса излучения в слое паров. Экспериментальное доказательство экранирования поверхности было получено в опыте [76], где через небольшое отверстие в мишени регистрировалось излучение, доходящее до поверхности. Оказалось, что в первые моменты времени яркостная температура совпадает с температурой фронта У В, но затем наступает резкое её снижение до 0.6 -г 0.9 эВ, что объясняется экранирующим действием сомкнувшихся над отверстием паров. Измеренное уменьшение температуры соответствует уменьшению потока энергии на поверхность мишени более, чем в 100 раз. В описываемых экспериментах было также измерено давление плазмы паров, для чего использовался пьезодатчик, встроенный в облучаемую мишень. Оказалось [76], что давление паров не зависит от давления инертного газа и определяется только лучистым потоком от фронта УВ и материалом мишени. С увеличением лучистого потока до 15 МВт/см1 давление на поверхности алюминиевой мишени возрастает до Р = 32 атм.

Таким образом, под воздействием оптического излучения сплошного спектра мощностью порядка 10 МВт/см2 происходит формирование плазменного слоя с характерными параметрами Т = \эВ и п1. = 1019 см'', экранирующего поверхность облучаемой мишени. Экранирование поверхности идёт за счёт преобразования энергии излучения в потенциальную и кинетическую энергию плазмы паров, при этом происходит постоянное расширение слоя паров. Необходимую скорость расширения можно оценить, исходя из баланса мощности и предполагая, что плазма паров однократно V ионизована: V = —?-^, где: х ~ потенциал ионизации атома вещества X Л Р

К2 +2 Т; мишени. Для алюминиевой мишени эта оценка даёт величину (0.7-И.0)• 105 см!с, что совпадает с измеренным значением скорости. Роль переизлучения энергии в процессе экранирования мала, поскольку для измеренной температуры даже для планковского излучателя: <тТ4 « ОАМВт/см2.

Анализ приведённых работ по теме исследования показал, что:

• экранирование поверхности, заключающееся в многократном уменьшении мощности, достигающей поверхности мишени, по сравнению с падающей мощностью, наблюдается в целом ряде экспериментов по воздействию интенсивных потоков плазмы и излучения на твёрдотельную мишень;

• в большинстве экспериментов экранирование осуществляется за счёт плазмы испарённого вещества, но и сам нейтральный пар может обладать экранирующими свойствами; мкм-см2 .

• величина удельной эрозии (-) мишени зависит от условии кДж проведения эксперимента: характеристик налетающего плазменного потока; наличия сильного магнитного поля, затрудняющего обтекание мишени; размера области взаимодействия и геометрии облучения (плоская, сферическая);

• согласно экспериментальным данным температура плазмы ЭС составляет Те = 1 -ь 5 эВ, согласно численным расчётам она не превышает Те = 5 -ПО эВ, в то же время есть теоретические соображения, что она может быть значительно больше. Стоит отметить, что во всех случаях, когда измерялась температура плазмы ЭС, не исключена была значительная боковая потеря массы ЭС за счёт обтекания мишени;

• механизмы экранирования поверхности от плазменного потока в эксперименте определены не были. Численные расчёты показывают, что важную роль здесь играет излучение плазмы ЭС, которое определяет как диссипацию энергии в окружающее пространство, так и перенос энергии на поверхность мишени. Согласно расчётам для тяжёлых элементов (например, меди, вольфрама) переизлучение энергии происходит в сплошном спектре, для лёгких (например, графита) имеет место комбинация линейчатого излучения и континуума;

• в случае облучения мишени УФ излучением (практически) сплошного спектра измерен коэффициент экранирования, равный примерно 100. Механизмом экранирования в этом случае является, по всей видимости, преобразование энергии излучения в потенциальную и кинетическую энергию плазмы паров, при этом происходит постоянное расширение ЭС;

• систематических измерений доли энергии, приходящей на поверхность облучаемой плазмой мишени, произведено не было. Не выяснен механизм переноса энергии на мишень. Расчёты показывают, что перенос энергии происходит через тонкий слой пара, поэтому энергия на поверхность доставляется излучением, причём спектр излучения практически совпадает с планковским;

• экспериментального исследования энергетического баланса процесса взаимодействия «плазма-поверхность», сопровождающегося независимым определением роли каждого из энергетических каналов, не производилось.

3 ^ 1 И 1

3 ^ 1

В.4. Цель исследования, направления и методы решения

Предметом изучения настоящей работы является экранирующий слой, формирующийся при взаимодействии мощных потоков высокотемпературной плазмы с твёрдотельными мишенями. Основная цель состоит в экспериментальном изучении свойств экранирующего слоя и исследовании переноса энергии в этом слое.

С точки зрения преобразования энергии взаимодействие происходит следующим образом. На первой, очень короткой, стадии налетающий водородный поток передаёт свою энергию, представляющую собой сумму кинетических энергий электронов и протонов (энергией рекомбинации ионов водорода можно пренебречь), непосредственно поверхностному слою мишени. Слой нагревается, эродирует и образующиеся атомы и ионы формируют приповерхностный плазменный слой. Через некоторое время слой В) приобретает экранирующие свойства, т.е. он начинает поглощать большую часть энергии налетающих ионов и электронов. В дальнейшем перенос энергии к поверхности обуславливается процессами в относительно плотной плазме ЭС. Энергия, доходящая до поверхности, расходуется на нагрев мишени и эрозию поверхности (это может быть испарение либо

3 0

-

2 Р

3

Рис. В.1. Возможные сценарии взаимодействия.

1 - мишень;

2 - экранирующий слой;

3 - налетающий поток; макроскопические механизмы эрозии, например, расплёскивание металлов, хрупкое разрушение углеродных композитов и т.п.). Другая доля приходящей энергии остаётся в плазме ЭС в виде кинетической энергии частиц, число которых в слое постоянно увеличивается как из-за испарения поверхности, так и за счёт поступления частиц с налетающим потоком. Сюда же следует отнести потенциальную энергию частиц - энергетический канал, который может оказаться важным, поскольку при значительной степени ионизации ионы с большим Ъ обладают большой энергией, высвобождающейся при их рекомбинации. Остальная часть энергии выносится из слоя двумя способами. В первом случае энергия уходит вместе с плазмой, обтекающей мишень, что уменьшает массу плазмы, участвующую в экранировании. Во втором случае боковые потери массы играют малую роль либо по причине удержания плазмы в сильном магнитном поле, либо из-за больших размеров области взаимодействия (что приближает ситуацию к одномерной); поэтому потери энергии слоя происходят за счёт излучения.

Возможные сценарии взаимодействия, представленные на рис. В.1, иллюстрируют и дополняют сказанное выше. В случае А) имеет место гидродинамическое обтекание мишени налетающим потоком столкновительной плазмы. В ЭС при этом может передаваться только небольшая часть энергии потока. На схеме Б) представлена ситуация, соответствующая большим боковым потерям массы ЭС. Значительная доля энергии, передаваемая от потока в слой, уносится из зоны взаимодействия в виде энергии плазмы. Наконец, третий рисунок отражает идеализированный случай полного отсутствия обтекания мишени. Энергия покидает зону взаимодействия только в виде излучения плазмы.

Для изучения передачи энергии от потока в слой и переноса энергии в самом слое случай В) является наиболее благоприятным. Движение плазмы близко к одномерному, что позволяет с достаточной точностью пользоваться величинами, характеризующими параметры слоя как функции единственной переменной X - расстояния от поверхности мишени. Двумерность процесса сказывается только при рассмотрении переноса излучения, а именно наличием боковых радиационных потерь, которые в чисто одномерной ситуации, очевидно, не существуют.

Возможность реализации режима взаимодействия, близкого к случаю В), перед началом эксперимента не представляется очевидной. Действительно, обтекание мишени водородным потоком можно предотвратить, если взаимодействие проводить в достаточно сильном продольном магнитном поле, а для облучения использовать потоки высокотемпературной плазмы с не слишком большим числом Маха1. Наоборот, обтекание мишени плазмой ЭС а priori исключить нельзя, так как характеристики этой плазмы заранее не известны. Низкая температура плазмы или развитие неустойчивостей могли бы приводить к выносу массы из зоны взаимодействия поперёк магнитного поля. Эти моменты требовали тщательного изучения в эксперименте до того, как переходить к непосредственному исследованию энергобаланса взаимодействия.

Таким образом, экспериментальное изучение ЭС предполагалось осуществить в условиях максимально приближенных к одномерному движению плазмы. Для этого:

1) столкновение потока с мишенью происходило в магнитном поле £ = 20^-25 кГс;

2) облучение мишеней производилось потоками замагниченной высокотемпературной плазмы с числом Маха М< 1.5 и параметром /? = 0.1 -г- 0.35;

3) плотность мощности налетающего потока была увеличена до уровня (в зависимости от установки) 10^-50 МВт!см2, с тем, чтобы:

1 Не слишком большое число Маха в потоке необходимо, чтобы не создавать сильной ударной волны, отходящей от мишени, которая может нарушить баланс давлений в поперечном направлении или увеличить коэффициенты переноса поперёк поля.

2 Например, двухпотоковой при взаимном проникновении налетающего потока и расширяющейся ему навстречу плазме паров мишени.

• обеспечить высокий темп нагрева приповерхностной плазмы с целью компенсации сильных радиационных потерь и получения температуры, достаточно большой для замагничивания плазмы и минимизации боковых потерь массы ЭС;

• произвести моделирование самых жёстких тепловых режимов, предполагаемых при срывах в токамаке ИТЭР;

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

Как показали проведённые эксперименты, во многих случаях движение плазмы ЭС происходит практически параллельно силовым линиям. Поэтому при дальнейшем анализе транспорта энергии используется одномерная^ модель процесса, и все величины, характеризующие энергоперенос (например, энергия, приходящая с плазменным потоком, или радиационные потери из ЭС), являются удельными, т.е. отнесёнными к единичной площади поперечного сечения ЭС.

Одномерная трактовка процессов, наблюдаемых в ЭС, неизбежно несколько упрощает реальную ситуацию и выводит за рамки исследования многие интересные эффекты. Например, в данной работе совершенно не рассматриваются особенности экранирования при наклонном падении плазмы на мишень, а именно: зависимость коэффициента экранирования от размера мишени [79], снос ЭС вдоль поверхности мишени [80], турбулентная диффузия плазмы в поперечном направлении [81]. Учет двумерных (в ряде случаев, трёхмерных) эффектов в диссертационной работе проводится только в том случае, если их игнорирование приводит к значительным ошибкам в интерпретации экспериментальных результатов. Практически все приведённые в данной работе результаты получены при нормальном падении потока на мишень. Исключение составляют несколько экспериментов по выявлению

Но с оговоркой насчёт излучения; см. выше. особенностей излучения плазмы приповерхностного слоя (Глава IV, §1), исследованию роли излучательного переноса энергии на поверхность мишени (Глава III, §4) и изучению влияния мишени на приходящую в ЭС энергию (Глава IV, §3).

В ходе исследования излучения из ЭС выяснилось, что мишенная плазма перед вольфрамовой мишенью представляет собой компактный источник излучения в мягком рентгеновском диапазоне, переизлучающий на длинах волн Л = 30 -4- 300 А значительную долю энергии налетающего потока. При размещении второй мишени в непосредственной близости от вольфрамовой её поверхность подвергается действию коротковолнового излучения мощностью порядка 5 МВт / см2. 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.

Анализируемые в диссертационной работе данные получены на трёх плазменных установках, принадлежащих к семейству МК-200 и основанных на использовании мощных импульсных коаксиальных ускорителей для генерации сгустков плазмы [82]. Не все эксперименты повторялись на всех трёх установках, поскольку многие из них требовали условий, труднодостижимых на одной установке, но относительно легко обеспечиваемых на другой. В ряде случаев это несколько затруднило анализ данных. С другой стороны, широкий набор условий проведения эксперимента позволил выявить характерные свойства ЭС, слабо зависящие от условий облучения. После анализа особенностей, присущих той или иной постановке экспериментов, по результатам измерениям на двух установках (2МК-200 и МК-200иС) подробно изучен перенос энергии в ЭС и общий энергетический баланс процесса взаимодействия.

Диссертационная работа основана на комплексном анализе данных, полученных в эксперименте с помощью широкого набора диагностических средств. Теоретические представления, используемые для интерпретации экспериментальных данных, служат цели систематизации и выделения общих характеристик взаимодействия "плазма-конденсированное тело" в разных условиях эксперимента, либо, наоборот, подчёркивают специфичность тех или иных экспериментальных условий. В связи с этим, при выборе модельных описаний предпочтение отдавалось достаточно простым представлениям, позволяющим быстро получить нужные функциональные зависимости. Далее эти зависимости сопоставлялись с данными, полученными в наиболее полном диапазоне изменения параметров, и делался вывод о степени адекватности такого модельного описания. В ряде случаев оказывалось, что используемые модели неплохо описывают экспериментальные данные даже за пределами формальной области своей применимости.

В.5. Содержание работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

I. Изучены характеристики потоков водородной и дейтериевой плазмы на экспериментальных установках 2МК-200 и МК-2001Ю. Показано, что потоки, движущиеся в продольном магнитном поле В » 20^-25 кГс, имеют характерные параметры: плотность - п « 5 -1015 см'3, температуру - Г«150э£, Т. &\кэВ, длительность - 15 -ь 35 мкс, плотность мощности - Ж = 5 -ь 50 МВт / см2.

II. Проведены исследования процесса взаимодействия потока водородной (или дейтериевой) высокотемпературной плазмы мощностью 2 ч-50 МВт!см1 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 последующие 15н-35мкс, т.е. в течение основной части процесса взаимодействия.

2. Ключевой характеристикой слоя мишенной плазмы является его высокая температура, достигающая Г =30-^90э£ (при плотности плазмы пе = (5 -г-15)-10'6 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 2 (графит), так и очень большим 2 (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.

4. Главным механизмом экранирования поверхности является 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 (]шр - ]сок1) / ¡тр 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 Ж = 6 МВт/см2 со спектром, лежащим в диапазоне 30 < Л <300 А 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 пе =1017.-1018 см~\ 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.

Рассмотрим кратко основные выводы из диссертационной работы, значимые для этих областей.

I. На основе экспериментальных результатов можно предложить следующий метод расчёта эрозии элементов графитовых диверторных пластин во время срывов в ИТЭРе. При сформировавшемся экранирующем слое параметр неравновесности испарения графитовых мишеней составляет ^сопй = 0.02 -т- 0.04. Предполагая, что в условиях срыва параметр не

J vap изменится, на основе теории термического испарения (соотношение (3.2)) получается, что глубина эрозии равна И[мкм]*> (4 ч- 9) • 10~4 -Р^/тш^^лт?], где: Р - давление плазмы вблизи поверхности, г - длительность термической фазы срыва. Отметим, что слабая зависимость эрозии от плотности мощности W может сохраниться за счёт того, что Р = P(W).

Несомненную важность для моделирования представляют выводы работы о нагреве мишенной плазмы до высокой температуры, пространственной структуре экранирующего слоя, необходимости учитывать смешение мишенной плазмы и плазмы налетающего потока, механизмах переноса энергии на поверхность. В целом можно констатировать, что полученные экспериментальные результаты широко использовались для разработки и совершенствования наиболее известных расчётных кодов, призванных моделировать процессы в диверторе токамака ИТЭР при срывах, а именно FOREV-1 [88], FOREV-2 [159, 198], A*THERMAL-S [57, 178].

II. Большое значение для разработки физических основ технологий модификации поверхности материалов при её обработке ИПВП имеет вывод о механизмах переноса энергии на мишень. Действительно, как показано в работе, при формировании экранирующего слоя и начале квазиравновесного испарения поверхности дальнейший перенос энергии на поверхность для ионов с большим Z осуществляется преимущественно излучением. Для мишеней с малым Z энергию переносят кванты УФ- и ВУФ-диапазона и электроны. В то же время, в отсутствие экранирующего слоя основными носителями энергии на поверхность являются ионы налетающего потока. Отсюда следует, что в том случае, когда для модификации необходимо насыщение поверхностного слоя обрабатываемого изделия ионами плазмы, необходимо избегать режима с интенсивной эрозией поверхности. И, наоборот, при использовании в основном теплового воздействия плазменного потока режим с образованием экранирующего слоя является предпочтительным.

III. Впервые показано, что при использовании потоков высокотемпературной плазмы умеренной мощности 2 • 106 ч- 5 • 107 Вт/см1 возможно получить сильноизлучающую плазму ионов с большим Z, обладающую температурой Г =30ч-90э5. Спектр излучения плазмы лежит в диапазоне 30 < Л <300 А, а коэффициент конверсии энергии плазменного потока в коротковолновое излучение очень высок. При облучении вольфрамовой мишени на установке МК-2001Ю образуется плазменное образование размером 7x7x3 см3, излучающее около 30 кДж за 20 мкс. Эффективность преобразования энергии ёмкостного накопителя в коротковолновое излучение достигает 10%.

Полученные результаты показывают возможность создания достаточно компактного источника коротковолнового излучения за счёт преобразования кинетической энергии плазменных потоков, генерируемых импульсными плазменными ускорителями, в энергию мишенной плазмы, и дальнейшего её переизлучения на ионах с большим 2. Сам налетающий плазменный поток при таком подходе должен быть малоизлучающим, чтобы исключить радиационные потери энергии в прцессе транспортировки потока от ускорителя до зоны взаимодействия. Меняя материал мишени, можно управлять спектром излучения и его пространственным профилем.

1. Недоспасов A.B., Хаит В.Д., Основы физики процессов в устройствах с низкотемпературной плазмой // М.: Энергоатомиздат, 1991, с.200-213.

2. Протасов Ю.С., Чувашев С.Н., Физическая электроника газоразрядных устройств. Эмиссионная электроника // М.: Высшая школа, 1992.

3. Войценя B.C., Гужова С.К., Титов В.И., Воздействие низкотемпературной плазмы и электромагнитного излучения на материалы // М.: Энергоатомиздат, 1991.

4. Жиглинский А.Г., Кучинский В.В., Массоперенос при взаимодействии плазмы с поверхностью // М.: Энергоатомиздат, 1991.

5. Донской A.B., Клубникин B.C., Электроплазменные процессы и установки в машиностроении// Д.: Машиностроение, 1979.

6. Цветков Ю.В., Панфилов С.А., Низкотемпературная плазма в процессах восстановления // М.: Наука, 1980.

7. Тамм И.Е. // Теория магнитного управляемого реактора. Физика плазмы и проблема управляемых термоядерных реакций. Том 1, М.: Изд-во АН СССР, 1958, с.З.

8. Сахаров А.Д. // там же, с.20.

9. Зубарев Д.Н., Климов В.Н. // там же, с.138.

10. Physics of Plasma-Wall Interaction in Controlled Fusion / Eds. Post D.T., Behrish R., N.Y.: Plenum Press, 1986.

11. Недоспасов A.B., Токарь H.3., Пристеночная плазма токамаков // Вопросы теории плазмы. Вып. 18./ Под ред. Б.Б. Кадомцева, М.: Энергоатомиздат, 1990, с.88.

12. Parker R., Janeschitz G., Pacher H.D. et al., Plasma-wall interactions in ITER // Journal of Nuclear Materials, 1997, v.241-243, p.l.

13. ITER Conceptual Design Activity Final Report // ITER documentation series. -Vienna: IAEA, 1991.

14. ITER physics / Eds. Post D.E., Uckan N.A. // ITER documentation series, No.21. -Vienna: IAEA, 1991.

15. Kuroda Т., Vieder G., Akiba M., et al., ITER plasma facing components // ITER documentation series, No.30. Vienna: IAEA. 1991.

16. Vieder G., Cardella A., Akiba M., et al., ITER plasma facing components design and development // Proc. of 2nd Intern. Symposium on Fusion Nuclear Technology, Karlsruhe, Germany, 1993, Part A, p.23.

17. Janeschits G., Borrass K., Federici G., et al., The ITER divertor concept // Journal of Nuclear Materials, 1995, v.220-222, p.73.

18. Van der Laan J.G., Akiba M., Hassanein A., et al., Prediction for disruption erosion of ITER plasma facing components; a comparison of experimental and numerical results // Fusion Engineering and Design, 1991, v. 18, p. 135.

19. Linke J., Akiba M., Bolt H., et al., Simulation of disruptions on coatings and bulk materials // Journal of Nuclear Materials, 1992, v. 196-198, p.607.

20. Van der Laan J.G., Klippel H.Th., Kraaij G.J., et al., Effects of short pulse high heat fluxes on carbon base plasma facing materials for ITER // Journal of Nuclear Materials, 1992, v.196-198, p.612.

21. Кадомцев Б.Б. // Итоги науки и техники. Сер. Физика плазмы./ Под ред. Шафранова В.Д., М.: ВИНИТИ, 1990, т.Ю, ч.1.

22. Падалка В.Г., Толок В.Т., Методы плазменных технологий высоких энергий // Атомная энергия, 1978, т.44, с.476.

23. Томашов Н.Д., Скворцов Ю.В., Струнников В.М. и др., Использование импульсных потоков плазмы для антикоррозионной обработки поверхности металлов // Защита металлов, 1988, т.24. №3, с.395.

24. Kaiin В.A., Yakushin V.L., Vasiliev V.l., Tserevitinov S.S., Use of high temperature plasma fluxes in modification of metal materials // Surface and Coating Technology, 1997, no.l, p. 110.

25. Kalin B.A., Problems of material modification radiation-beam technology choice // Proc. of 5th Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flow, Tomsk, 2000, v.3, p.285.

26. Malone R.C., Morse R.L., Material end plugging of straight 0 pinches // Phys. Rev. Lett., 1977, v.39, n.3, p.134.

27. Commisso R.J., Ekdhal C.A., Freese K.B. et al., Solid-end-plug experiment on a 0 pinch // Phys. Rev. Lett., 1977, v.39, n.3, p. 137.

28. Commisso R.J., Bartch R.R., Ekdhal C.A. et al., Energy- and particle-confinement properties of an end-plugged, linear, theta pinch // Phys. Rev. Lett., 1979, v.43, n.6, p.442.

29. Ekdahl C.A., Commiso R.J., McKenna K.F., Measurements of the plasma ablated from an end plug in high-energy 0-pinch // Journal of Applied Physics, 1981, v.52, n.6, p.3245.

30. Baylor L.R., Geraud A., Houlberg W.A., et al., An international pellet ablation database//Nuclear Fusion, 1997, v.37, p.445. .

31. Spitzer Jr. L., Tonks L., Grove D.J., et al. // Problems of the Stellarator as a Useful Power Source, USAEC Report NYO 6047, 1954.

32. Зб.Голант B.E., Жилинский А.П., Кутеев Б.В. и др. // Письма в ЖТФ, 1977, т.З, №5, с.1037.

33. Жилинский А.П., Кутеев Б.В., Ларионов М.М. и др., Определение скорости полоидального вращения плазмы в токамаке ФТ-1 // Письма в ЖЭТФ, 1979, т.ЗО, с.405.

34. Кутеев Б.В., Сергеев В.Ю., Цендин Л.Д., О взаимодействии углеродных макрочастиц с горячей плазмой // Физика плазмы, 1984, т. 10, №6, с. 1172.

35. Milora S.L., et al. //Nuclear Fusion, 1995, v.35, p.657.

36. Parks P.B., Turnbull R.J., Foster C.A., A model for the ablation rate of a solid hydrogen pellet in a plasma // Nuclear Fusion, 1977, v. 17, p.539.

37. Parks P.B., Turnbull R.J. //Physics of Fluids, 1978, v.21, p. 1735.

38. Векштейн Г.Е., Магнитотепловые процессы в плотной плазме. // В сб.: Вопросы теории плазмы. Вып. 15 / Под ред. Б.Б. Кадомцева, М.: Энергоатомиздат, 1987, с.З.

39. Feinberg В., An experimental study of hot plasma in contact with a cold wall // Plasma Physics, 1976, v.18, p.265.

40. Feinberg В., An experimental study of hot plasma in contact with a cold wall // Columbia Plasma Laboratory, Report no.61, 1974.

41. Gross R.A., Physics of a wall-confined fusion system // Nuclear Fusion, 1975, v.15, p.729.

42. Sestero A., Protection of walls from hard disruptions in large tokamaks // Nuclear Fusion, 1977, v. 17, no. 1, p. 115.

43. Sestero A., Ventura A., Formation and evolution of virtual limiters during hard plasma disruptions in tokamaks // Journal of Nuclear Materials, 1984, v. 128-129, p.828.

44. Ciotti M., Maddaluno G., Sestero A., Similarity solution for "plasma shield" in hard disruptions // Proc. of 20th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, Lisbon, 1993.

45. Hassanein A., Ph.D. Thesis, University of Wisconsin, Madison, UWFDM-465, 1982.

46. Hassanein A.M., Kulcinski G.C., Wolfer W.G., Surface melting and evaporation during disruptions in magnetic fusion reactors // Nuclear Engineering and Design/ Fusion, 1984, v.l, p.307'.

47. Croessmann C.D., Kislinski G.L., WhitleyJ.B., Correlation of experimental and theoretical results for vaporization by simulated disruption // Journal of Nuclear Materials, 1984, v.128-129, p.816.

48. Gilligan J., Hahn D., Mohanti R., Vapor shielding of surfaces subjected to high heat fluxes during a plasma disruption // Journal of Nuclear Materials, 1989, v. 162-164, p.957.

49. Hoebel W., Goel В., Kuehle M., Wuerz H., Numerical simulation of vapor shielding and range shortening for ions impinging on a divertor during plasma disruptions. // Journal of Nuclear Materials, 1992, v. 196-198, p.828.

50. Конкашбаев И.К., Взаимодействие горячей плазмы с материалами // Препринт ИАЭ-5338/7, М., 1991, 25с.

51. Богаченков Е.Е., Дюшембиев У.А., Конкашбаев И.К., Ландман И.С. Взаимодействие потоков плазмы с дивертором в термической фазе срыва // Физика плазмы, 1993, т.19, №8, с.963.

52. Конкашбаев И.К., Ландман И.С. и др., Одномерные расчёты взаимодействия потока плазмы с мишенями из вольфрама и графита // Отчёт о НИР 10/НИР-4174, ТРИНИТИ, 1993.

53. Hassanein A., Konkashbaev I. // Argonne National Laboritory Report ANL/FPP/TM-286, Oct. 1995.

54. Архипов Н.И., Житлухин A.M., Сафронов B.M. Сиднев В.В., Скворцов Ю.В., Динамика взаимодействия сверхзвукового плазменного потока с твердотельной мишенью // Физика плазмы, 1987, т. 13, №5, с.632.

55. Архипов Н.И., Житлухин A.M., Сафронов В.М., Струнников В.М., Исследование взаимодействия потока горячей плазмы с поверхностью методом лазерного рассеяния. // В сб. трудов 4-ой Всесоюзной конф.:

56. Взаимодействие излучения, плазменных и электронных потоков с веществом, Фрунзе, 1990, С. 102.

57. Arkhipov N.I., Zhitlukhin А.М, Safronov V.M., Sidnev V.V., Skvortsov Yu.V., Electrodynamic accelerator use for high temperature plasma production. // Proc. of 15th Int. Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, Dubrovnik, 1988, part 3,p.l093.

58. Barabash V.R., Baranov A.G., Burtseva T.A., et al., Damage of refractory metals and carbon-based materials under simulation of the thermal influence at plasma disruption // Fusion Engineering and Design, 1991, v. 18, p. 145.

59. Barabash V.R., Baranov A.G., Gahl J. et al., Experimental study of pulse plasma -carbon materials interaction during the simulation of thermal quench phase of tokamak plasma disruption // Journal of Nuclear Materials, 1992, v. 187, p.298.

60. Crawford J., Gahl J., McDonald J., Simulated disruption testing of candidate PFC materials: beryllium, graphite and other metals. // Journal of Nuclear Materials. 1993. V.203.P.280.

61. Drozdov A.A., Litunovsky V.N., Ljublin B.V., et al., Quasi stationary plasma accelerators for experiments on thermonuclear fusion and technology // Plasma Devices and Operations, 1992, v.2. p.l 11.

62. Barabash V., Dietz K.J., Federici G., et al., ITER plasma facing materials: some critical considerations // Fusion Technology-1994 / Eds. Herschbash K., Maurer W., Vetter J.E. Amsterdam: Elsevier, 1995, v.l, p.239.

63. Rockett P.D., Hunter J.A., Bradley J.T., et al., Studies of the ablated plasma from experimental plasma gun disruption simulations // Journal of Nuclear Materials, 1995, v.220-222, p.785.

64. Белан В.Г., Золотарёв С.П., Левашов В.Ф. и др., Экспериментальное исследование квазистационарного плазменного ускорителя, питаемого от индуктивного и ёмкостного накопителей // Физика плазмы, 1990, т. 16, №2, с.176.

65. Morozov A.I., Pavlichenko O.S., Tereshin V.I., et.al., QSPA Kh-50 full scale high-power quasistationary plasma accelerator // Plasma Devices and Operations, 1992, v.2,p.l55.

66. Морозов А.И., Принципы коаксиальных (квази)стационарных плазменных ускорителей (КСПУ) // Физика плазмы, 1990, т. 16, №2, с. 131.

67. Belan V.G., Levashov V.F., Maynashev V.S. et al., Features of dynamics and structure of the shielding layer at the interaction of plasma flow with target // Journal of Nuclear Materials, 1996, v.233-237, p.763.

68. Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Makhlaj N.I., et al., Plasma shield dynamics under high-power plasma stream irradiation of target surface // Problems of Atomic Science and Technology, 2000, №3, Series: Plasma Physics, no.5, p.90.

69. Bolt H., Ooishi Y., Lida M., Sukegawa Т., Study of plasma material interaction during simulated plasma disruptions // Fusion Engineering and Design, 1991, v.18, p.l 17.

70. Жариков И.Ф., Немчинов И.В., Цикулин M.A., Исследование воздействия на твёрдое тело светового излучения, полученного при помощи источника взрывного типа // Журнал прикладной механики и технической физики, 1967, №1, с.31.

71. Попов Е.Г., Провалов А.А., Цикулин М.А., Самоэкранировка поверхности тел от мощного излучения // Доклады АН СССР, 1970, т. 194, №4, с.805.

72. Цикулин М.А., Попов Е.Г., Излучательные свойства ударных волн в газах. // М.: Наука, 1977, с. 149.

73. Виленская Г.Г., Немчинов И.В. // Журнал прикладной спектроскопии, 1969, 11, №4.

74. Бергельсон В.И., Немчинов И.В., Новикова В.В., «Горение» конденсированного вещества под действием излучения сплошного спектра // Физика горения и взрыва, 1975, №5, с.730.

75. Skvortsov Yu.V. Research on pulsed and steady- state plasma guns and their applications in the Troitsk branch of Kurchatov Institute of Atomic Energy // Physics of Fluids B, 1992, v.4. no.3. p.750.

76. Архипов Н.И., Бахтин В.П., Васенин С.Г., Житлухин A.M., 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.

77. Arkhipov N., Bakhtin V., Bazylev В., 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.l, p.45.

78. 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.

79. Архипов Н.И., Васенин С.Г., Сафронов B.M., Житлухин A.M., Половцев Н.А., Топорков Д.А., Многокадровая МКП-камера для MP и ВУФ спектроскопии мишенной плазмы // Приборы и техника эксперимента, 1998, №1, с.128.

80. Архипов Н.И., Васенин С.Г., Бахтин В.П., Житлухин A.M., 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.

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

82. Архипов Н.И., Васенин С.Г., Бахтин В.П., Житлухин A.M., 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.

83. Arkhipov N., Bakhtin V., Kurkin S., Toporkov D., Safronov V., Vasenin S.,

84. Wuerz H., Zhitlukhin A., VUV radiation during plasma/surface interaction under2 • •plasma stream power density of 20 40 MW/cm // Problems of Atomic Scienceand Technology; Series "Plasma Physics", no.6, 2000, p.97.

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

86. 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.

87. Bazylev В., 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 // Proceedings of 13-th Intern. Conference on Plasma

88. Surface Interaction in Controlled Fusion Devices (PSI-98), San Diego, May, 1998, p.200.

89. Скворцов Ю.В., Умрихин Н.М., Расчёт и оптимизация систем ускорения плазмы // В кн.: III Всесоюзная конференция по плазменным ускорителям: Тезисы докладов, Минск, 1976, с. 120.

90. Аретов Г.Н., Васильев В.Н., Хамидуллин Ф.Р., Быстродействующий электродинамический инжектор газа высокого давления // Приборы и техника эксперимента, 1972, №3, с.219.

91. Аретов Г.Н., Васильев В.И., Пергамент М.И., Церевитинов С.С., Временные характеристики дисковых вакуумных включателей // ЖТФ, 1967, т.37, №1, с.131.

92. Архипов Н.И., Житлухин A.M., Сафронов В.М., Скворцов Ю.В., Инжекция и удержание плотной высокотемпературной плазмы с ß = 1 в длинной антипробочной ловушке // Физика плазмы, 1994, т.20, №10, с.868.

93. Конкашбаев И.К., Ландман И.С., Улинич Ф.Р., О возможности уменьшения электронного тепла из открытых ловушек // ЖЭТФ, 1978, т.74, №3, С.956.

94. Конкашбаев И.К., Скворцов Ю.В., Улинич Ф.Р., Длинная антипробочная ловушка // Итоги науки и техники, Сер. Физика плазмы, т.9, М.:ВИНИТИ,1989, с.141.

95. Архипов Н.И., Инжекция и удержание плотной высокотемпературной плазмы с ß = 1 в длинной антипробочной ловушке // Диссертация . канд. физ.-мат. наук, М., 1991, 113 с.

96. Пятницкий JI.H., Лазерная диагностика плазмы // М.: Атомиздат, 1976, с.165- 169.

97. ПТеффилд Дж., Рассеяние электромагнитного излучения в плазме / Пер. с англ. //М.: Атомиздат, 1978, с. 128- 135.

98. Вячеславов Л.Н., Жаров В.Ф., Разработка мощных твёрдотельных лазеров для диагностики плазмы методом томсоновского рассеяния света // Препринт ИЯФ СОАН СССР 85-42, Новосибирск, 1985.

99. Henke B.L., Fujiwara F.G., Tester М.А., et al., Low-energy x-ray response of photographic films. Experimental characterization // Journal of the Optical Society of America B: Optical Physics, 1984, v.l, p.828.

100. Элтон P., Рентгеновские лазеры / Пер. с англ. // М.: Мир, 1994, с.112.

101. Архипов Н.И., Гаврилов В.Г., Горячева Н.В. и др., Диагностический комплекс установок МК-200 и МК-200М // III Всесоюзная конференция по диагностике высокотемпературной плазмы, Дубна, 1983, с.98.

102. Леонард С., Основные макроскопические измерения // В кн.: Диагностика плазмы / Под ред. Р.Хаддлстоуна и С.Леонарда, М.: Мир, 1967, с. 14-59.

103. Alikhanov S.G., Bakhtin V.P., A piezoelectric pressure bar gauge with mechanical sandwiching of the piezoelement // Journal of Physics E: Scientific Instruments, 1983, v.16, p.615.

104. Чу Г., Гольдбергер M., Jloy Ф., Уравнение Больцмана и гидромагнитные уравнения для одной жидкости без столкновений / Пер. с англ. // Проблемы современной физики, вып.7, 1957, с. 139.

105. Галеев А.А., Сагдеев Р.З., Модель ударной волны в плазме солнечного ветра // ЖЭТФ, 1969, т.57, в.З, с. 1047.

106. Алипченков В.М., Никандров Л.Б., Сиднев В.В., О сжатии бесстолкновительного сверхзвукового плазменного потока в коническом диффузоре // Материалы научно-тех. конф. «Проблемы преобразования энергии», М.: ИАЭ, 1983, с.45.

107. Сиднев В.В., Динамика сверхзвуковых плазменных потоков с (3 « 1 в стационарном магнитном поле // Диссертация . канд. физ.-мат. наук, М., 1985,152 с.

108. Архипов Н.И., Житлухин A.M., Сафронов В.М., Сиднев В.В., Скворцов Ю.В., Бесстолкновительная ударная волна в сверхзвуковом плазменном потоке с Р * 1 // Письма в ЖЭТФ, 1984, т.39, №5, с.205.

109. Лойцянский Л.Г., Механика жидкости и газа // М., Наука, 1978, с. 108, 130.

110. Hobbs G.D., Wesson J.A., Heat flow through a Langmuir sheath in the presence of electron emission // Plasma Physics, 1967, v.9, no.l, p.85.

111. Конкашбаев И.К., Ландман И.С., Улинич Ф.Р. О возможности уменьшения электронного тепла из открытых ловушек // ЖЭТФ, 1978, т.74, №3, с.956.

112. Мирнов В.В., Рютов Д.Д., Газодинамическая ловушка // Итоги науки и техники, Сер. Физика плазмы / Под ред. Шафранова В.Д. М.: ВИНИТИ, 1988, т.8, с.77.

113. Деттор Дж., Кнорр Т., Холл Е., Процессы испарения // В кн.: Осаждение из газовой фазы / Под ред. К. Пауэлла, Дж. Оксли и Дж. Блочера мл. / Пер. с англ. / М.: Мир, 1970, с.66.

114. Термодинамические свойства индивидуальных веществ: Справочное издание / Под ред. Глушко В.П. // М.: Наука, 1977-1984, т. 1-4.

115. Анисимов С.П., Рахматулина А.Х., Динамика расширения пара при испарении в вакуум // ЖЭТФ, 1973, т.64, вып.З, с.869.

116. Физические свойства сталей и сплавов, применяемых в ядерной технике: Справочник / Под ред. Неймарк Б.Е. // М.-Л.: Энергия, 1967.

117. Touloukian Y.S., Powell R.W., Но C.Y. et al., Thermophysical Properties of Matter // TPRC Data Series, v.1-2, IFI Plenum, N.Y., 1970.

118. Физические величины: Справочник / Под ред. Григорьева И.С. и Мелихова Е.З. // М.: Энергоатомиздат, 1991.

119. Белащенко Д.К., Явления переноса в жидких металлах и полупроводниках//М.: Атомиздат, 1970.

120. Столович H.H., Миницкая Н.С., Температурные зависимости теплофизических свойств некоторых металлов / Минск: Наука и техника, 1975.

121. Чиркин B.C., Теплофизические свойства материалов ядерной техники. Справочник // М.: Атомиздат, 1968.

122. Пелецкий В.Э., Тимрот Д.Л., Воскресенский В.Ю., Высокотемпературные исследования тепло- и электропроводности твёрдых тел // М.: Энергия, 1971.

123. Теплопроводность твёрдых тел. Справочник / Под ред. A.C. Охотина // М.: Энергоатомиздат, 1984.

124. Мартыненко Ю.В., Рязанов А.И., Фирсов О.Б., Явлинский Ю.Н., Взаимодействие атомных частиц с твёрдым телом // Вопросы теории плазмы. Вып. 12 / Под ред. Леонтовича М.А. и Кадомцева Б.Б. / М.: Энергоиздат, 1982, с.205.

125. Bohdansky J., Roth J., Bay H. // Journal of Applied Physics, 1980, v. 5 (15), p.2861.

126. Мартыненко Ю.В., Взаимодействие плазмы с поверхностями // Итоги науки и техники, Серия: Физика плазмы, т.З. / Под ред. Шафранова В.Д. // М.: ВИНИТИ, 1982, с. 119.

127. Леко В.К., Мазурин О.В., Свойства кварцевого стекла // JL: Наука, 1985.

128. Архипов Н.И., Житлухин A.M., Сафронов В.М., Скворцов Ю.В., Взаимодействие высокотемпературной плазмы с твердотельными материалами // Препринт ИАЭ 5343/7, М., 1992, 55с.

129. Зайдель А.Н., Прокофьев В.К., Райский С.М., Шрейдер Е.Я., Таблицы спектральных линий // М.: Наука, 1977.

130. Касабов Г.А., Таблицы параметров спектральных линий для диагностики низкотемпературной плазмы // Препринт ИАЭ 1928, М., 1969.

131. NIST Atomic Spectra Database, Version 2.0, 1999 (http://physics.nist.gov/cgi-bin/AtData/mainasd).

132. Грим Г., Уширение спектральных линий в плазме // Пер. с англ. / М.: Мир, 1978.

133. Демидов М.И., Огурцова H.H., Подмошенский И.В. и др., Исследование газовой защиты оптического кварца от нагрева плотной плазмой // Журнал прикладной спектроскопии, 1969, т. 10, в.2, с. 191.

134. Белов С.Н., Демидов М.И., Огурцова H.H. и др., Обратимая непрозрачность оптического кварца, возникающая при контакте с плотной плазмой // Журнал прикладной спектроскопии, 1969, т. 10, в.З, с.408.

135. Огурцова H.H., Подмошенский И.В., Шелемина В.М., Спектральное поглощение кварцевого стекла при температурах 3000 4000 К // Теплофизика высоких температур, 1978, т. 16, №4, с.744.

136. Стриганов А.Р., Свентицкий Н.С., Таблицы спектральных линий нейтральных и ионизованных атомов // М.: Атомиздат, 1966.

137. Романов Г.С., Толкач В.И., Расчёт оптических характеристик многокомпонентной, многозарядной плазмы // Инженерно-физический журнал, 1999, т.72, №6, с. 1076.

138. Карлыханов Н.Г., Мартыненко Ю.В., Матвеенко Ю.И. и др., Численное моделирование взаимодействия потока плазмы с твердотельной мишенью. // Физика плазмы, 1996, т.22, №11, с.998.

139. Wuerz Н., Pestchanyi S., Landman I., et al., Hot plasma target interaction and quantification of erosion of the ITER slot divertor during disruptions and ELMs // Forchungszentrum Karlsruhe, Report FZKA 6198, 1999.

140. Ван Клевелен Д.В., Свойства и химическое строение полимеров // Пер. с англ. / М.: Химия, 1976, с.362.

141. Романов Г.С., Степанов K.JL, Сыркин М.А., Спектральные и средние коэффициенты поглощения углеродной плазмы // Оптика и спектроскопия, 1979, т.47, №5, с.860.

142. Standi Р.С., Havener С.С., Krstic P.S., et al., Charge transfer in collisions of C+ with H and H+ with С // The Astrophysical Journal, 1998, v.502, p. 1006.

143. Тотт Ю.В., Явлинский Ю.Н., Взаимодействие медленных частиц с веществом и диагностика плазмы // М.: Атомиздат, 1973.

144. Кессельман B.C., Расчёт пробега легирующих ионов в полупроводниках // Физика и техника полупроводников, 1970, т.4, №3, с.228.

145. Курнаев В.А., Внедрение, отражение и стимулированная десорбция частиц // В кн.: Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Вводный том III. / Под ред. В.Е. Фортова, М.: Наука, 2000, с. 100.

146. Мотт Н., Месси L., Теория атомных столкновений // Пер. с англ. / М.: Мир, 1967, с.467.

147. Pianetta P., Low-energy electron ranges in matter // In: X-ray Data Booklet / Eds.: A.C. Thompson and D. Vaughan / Lawrence Berkeley National Laboratory, 2001, sec.3.2.

148. Ashley J.C., Tung С.J., Ritchie R.H., Inelastic interactions of electrons with polystyrene: calculations of mean free paths, stopping powers, and CSDA ranges // IEEE Transactions on Nuclear Science, 1978, NS-26, p. 1566.

149. Ashley J.C., Tung C.J., Ritchie R.H., Anderson V.E., Calculations of mean free paths and stopping powers of low energy electrons (<10 keV) in solids using a statistical model // IEEE Transactions on Nuclear Science, 1976, NS-23, p. 1833.

150. Трубников Б.А., Столкновения частиц в полностью ионизованной плазме // Вопросы теории плазмы. Вып.1 / Под ред. Леонтовича М.А. / М.: Госатомиздат, 1963, с.98.

151. Clark R., Abdallah J., Post D., Radiation rates for Z impurities in edge plasmas //Journal of Nuclear Materials, 1995, v.220-222, p.1028.

152. Haines M.G., Plasma containment in cusp-shaped magnetic fields // Nuclear Fusion, 1977, v.l7,№4,p.811.

153. Конкашбаев И.К„ Ландман И.С., Улинич Ф.Р., Удержание горячей плазмы с ¡3 » 1 в неадиабатической ловушке // Физика плазмы, 1986, т. 12, №8, с.1007.

154. Гомбаш П., Статистическая теория атома и её применения // М.: Иностранная литература, 1951, 399с.

155. Буздин В.П., Добкин А.В., Косарев И.Б. и др., Термодинамические и оптические свойства высокотемпературной плазмы // М., Институт физики Земли АН СССР, 1983, Депонир. ВИНИТИ, №52-84 Деп., 190с.

156. Брагинский С.И., Явления переноса в плазме // Вопросы теории плазмы. Вып.1. / Под ред. М.А. Леонтовича, М., Госатомиздат, 1963, с. 183.

157. Хинтон Ф., Явления переноса в столкновительной плазме // Основы физики плазмы: В 2-х т. / Под общей ред. Р.З. Сагдеева и М. Розенблюта, Т.1, М., Энергоатомиздат, 1983, с. 152.

158. Hassanein A., Konkashbaev I., Comprehensive model for disruption erosion in a reactor enviroment // Journal of Nuclear Materials, 1995, v.220-222, p.244.

159. Post D.E., A review of recent developments in atomic processes for divertors and edge plasmas // Journal of Nuclear Materials, 1995, v.220-222, p. 147.

160. Gullikson E.M., Mass absorption coefficients // In: X-ray Data Booklet / Eds.: A.C. Thompson and D. Vaughan / Lawrence Berkeley National Laboratory, 2001, sec.1.6.

161. Абрамов В.А., Коган В.И., Лисица B.C., Перенос излучения в плазме // Вопросы теории плазмы. Вып. 12 / Под ред. Леонтовича М.А. и Кадомцева Б.Б. /М.: Энергоиздат, 1982, с. 114.

162. Жидков А.Г., Марченко B.C., Простые модели вынужденного разлёта плазмы // Препринт ИАЭ-3389/6, М., 1981.

163. Термодинамические и оптические свойства ионизованных газов при температурах до 100 эВ. Справочник / Бойко Ю.В., Гришин Ю.М., Камруков

164. A.С. и др. // М.: Энергоатомиздат, 1988.

165. Каськова С.И., Романов Г.С., Степанов К.Л., Толкач В.И., Коэффициенты непрерывного поглощения углеродной плазмы в области температур до 100 эВ // Оптика и спектроскопия, 1979, т.46, №4, с.655.

166. Burdakov A.V., Chagin M.N., Filipov V.V., et al., On a possibility of explosive material erosion under conditions of ITER disruption event // Journal of Nuclear Materials, 1996, v.233-237, p.697.

167. Astrelin V.T., Burdakov A.V., Chebotaev P.Z., et al., Hot electron target interaction experiments at the GOL-3 facility // Nuclear Fusion, 1997, v. 37, no.l 1, p.1541.

168. Воздействие лазерного излучения на материалы / Арутюнян Р.В., Баранов

169. B.Ю., Болыпов Л.А. и др. // М.: Наука, 1989, с.22-25.

170. Knight C.J., Transient vaporization from a surface into vacuum / AIAA Journal, 1982, v.20, no.7, p.950. (Перевод: Найт Ч.Дж., Нестационарное испарение в переходном режиме с поверхности в вакуум // Аэрокосмическая техника, 1983, т.1,№2, с.83.)

171. Srinivason V., Smrtic М.А., Babu S.V., Excimer laser etching of polymers // Journal of Applied Physics, 1986, v.59, no.l 1, p.3861.

172. Davis G.M., Gower M.C., Fotacis C., et .al., Spectroscopic studies of ArF photoablation of PMMA // Applied Physics A: Solids and Surfaces, 1985, V.A36, no.l, p.27.

173. Bell A.R., Evans R.G., Nicholas M.N. // Phys. Rev. Lett., 1981, v.46, no.4, p.243.

174. Gary S.P., Feldman W.C. // Journal of Geophysical Research, 1977, v.82, p.1087.

175. Zimmerman G.B. // Preprint UCRL-74811, Lawrence Livermore Lab. (Univ. Calif.), 1973.

176. Malone R.C., McCrory R.L., Morse R.L. // Phys. Rev. Lett., 1975, v.34, p.721.

177. Gary S.P., Sgro A.G., DeSilva A.W., Effects of an axial heat flux limit in linear theta pinches // Physics of Fluids, 1978, v.21, no. 11, p.2103.

178. Мишин E.B., О температуре плазменной короны ДТ капли, нагреваемой лазером // ДАН СССР, 1974, т.215, №3, с.565.

179. Wuerz Н., Pestchanyi S., Landman I., et al., Damage evaluation of vertical targets and first walls during ITER-FEAT off-normal events // Forchungszentrum Karlsruhe, Report FZKA 6582, 2001.

180. Arkhipov N.I., Zhitlukhin A.M., Safronov V.M., Skvortsov Yu.V., Interaction of a high temperature plasma with solid targets // Fusion Technology-1992; Eds.: C.Ferro, M.Gasparotto, H.Knoepfel; Amsterdam: Elsevier, 1993, vol. 1, p. 171.