Реферати українською » Физика » Використання установки ДСМ-2 для моделювання поведінки перших дзеркал в термоядерному реакторі ІТЕР


Реферат Використання установки ДСМ-2 для моделювання поведінки перших дзеркал в термоядерному реакторі ІТЕР

Страница 1 из 2 | Следующая страница

>МІНІСТЕРСТВООСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

>Харківськийнаціональнийуніверситет

>імені У. М.Каразіна

>Фізико-технічний факультет

>КВАЛІФІКАЦІЙНАРОБОТА

>БАКАЛАВРА ЗФІЗИКИ

>Використання установкиДСМ-2 длямоделюванняповедінкипершихдзеркал у термоядерногореакторіИТЕР

>Харкiв 2010


>СОДЕРЖАНИЕ

>АННОТАЦИЯ

ЗАПРОВАДЖЕННЯ

1.АНАЛИТИЧЕСКИЙОБЗОР

1.1Медние дзеркала

1.2 Дзеркала із нержавіючої сталі

1.3Аморфние дзеркала

2.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДОСЛІДЖЕННЯ

2.1 Загальні відома і мета досліджень

2.2 Експериментальна установка

2.3 Результати експериментів із дзеркалами з аморфних сплавів

2.4 Методика і проведення експерименту

2.4.1 Робочий цикл. Дані експерименту для зразків у міді нержавіючої стали

2.4.2 Дані експерименту для аморфних зразків

>ВЫВОД

ЛІТЕРАТУРА


>АННОТАЦИЯ

>дейтериевий плазма аморфнийгидридообразующий

Діяльність наведено результати досліджень деградації коефіцієнта відображення для металевих дзеркал і дзеркал з аморфних сплавів під впливом розпорошення іонами дейтерію з енергіями 0.1 – 1.5КеВ.

>Приведени особливості впливу бомбардування іонамидейтериевой плазми на дзеркала з аморфних сплавів. Встановлено причини поглинання дейтерію дзеркалами з аморфних сплавів.

Експериментально перевірено гіпотеза - про залежності поглинанні дейтерію від наявності або відсутністьгидридообразующих компонент.

Зроблено висновки про чинниках, які впливають поглинання дейтерію.


Вступ

Керований термоядерний синтез (КТС) з урахуванням ізотопів водню – практично невичерпний генератор. На Сонце вже мільярди відбувається некерований термоядерний синтез – з важкого ізотопу водню дейтерію утворюється гелій. У цьому виділяється дуже багато енергії.

Вперше, завдання із КТС було запропоновано у Радянському Союзі. Ідея створення термоядерного реактора зародилася в 50-х роках. У у Радянському Союзі було запропоновано магнітна пасткаТОКАМАК (>сокращенное назваТОроидальнойКАмери зМАгнитнимиКатушками). У листопаді 1985 року було прийнято постанову по проектуванні Міжнародного термоядерного реактора з урахуванням такий магнітної конфігурації (>ИНТОР). Проект згодом був дуже переглянутий (ІТЕР), й унестоящее його реалізація ведеться у споживчій кооперації 34 країн.

Завдання ІТЕР залежить від демонстрації принципову можливість тривалого підтримки режиму горіннядейтериевой суміші і рішення фізичних і технологічних проблем, що потенційно можуть зустрітися цьому шляху. Таким кроком має стати створення реактораДЕМО, мета споруди якого – демонстрація можливості комерційного використання термоядерного реактора.

Однією з найважливіших завдань є проблема оптичної діагностики плазми термоядерного реактора.Оптическая діагностика дозволяє безконтактними методами досліджувати стан плазми в реакторі, отже одержувати об'єктивну інформацію про температурі, щільності іелементном складі плазми. У найближчому майбутньому термоядерному реакторі (зокрема уИТЭРе) внутрішня частина системи оптичної діагностики складатиметься зперископической системи дзеркал [1], що дозволить виводити випромінювання плазми з реактора назовні, для безпосереднього вимірювання, і аналізу його характеристик й отримання інформації про параметрах плазми. У цьому, виникають проблеми перших дзеркал (ПЗ) – дзеркал, які розміщені в реакторі ось же вони плазми. Ці дзеркала виявляться приблизно тих самих умовах, що як перша стінка вакуумної камери: вони приймати він потік всіх видів випромінювання плазми –корпускулярного, електромагнітного і нейтронного. Завдання ПЗ у тому, щоб передати електромагнітне випромінювання ванализирующую частина системи діагностики.

Під впливом електромагнітного випромінювання, дзеркала буде лише теплової деформації, що може позначитися з їхньої відбивної здатності оптичних, й у запобігання цього йому досить включити ПЗ до системи примусового охолодження.

>Нейтронное випромінювання плазми він може вплинути наотражательную поверхню дзеркал. При досить великомуфлюенсе нейтронів виникатимуть структурні зміни матеріалу дзеркала.

Було проведено низку досліджень з імітації впливу нейтронного випромінювання наотражательную поверхню металевих дзеркал. При опроміненні сталевого дзеркала іонамиCr, мідного – іонамиCu з енергією1и 3МеВ ібериллиевого – іонамиNe з енергією до 100кеВ [2], засвідчили, що коефіцієнт відображення не змінюється.

Найнебезпечнішим для дзеркал, поміщених у прямий видимості плазми, є бомбардування нейтральними частинками ("атомамиперезарядки")[3]. Атоми перезарядження мають широкий енергетичний спектр (10 103еВ), що як значно перевищує енергію зв'язку атомів будь-якого матеріалу, тому відбуватиметься розпорошення поверхні першого дзеркала. Середній потік атомів перезарядження на стінки вакуумної камери очікується порядку 21015>ат/см2, тоді як повна доза атомів перезарядження, з розрахунку одиницю виміру площі, становитиме

Dаз~ (1021 – 1022)ат /див2. (1.1)


За підсумками даних про потоках атомів перезарядження на стінку і результатіврасчетов[4], дійшли висновку про можливість імітації потоку нейтральних частинок на поверхню ПЗ з допомогою потоку іонів водню чи дейтерію, мають широкий енергетичний спектр, якісно такий спектру атомів перезарядження.

У цьому роботі наведено результати дослідження деградації коефіцієнта відображення (з допомогою розвитку мікрорельєфу) для металевих дзеркал при бомбардуванню іонами різних газів, виконаних на установціДСМ-2.


1. Аналітичний огляд

Головним критерієм, яким можна порівняти дзеркала, є коефіцієнт відображення. Деградація коефіцієнта відображення залежить від товщинираспиленного шару. Натомість, товщинараспиленного шару залежить від енергіїбомбардирующих частинок, тривалості експозиції, роду матеріалу та інших. Провели експерименти, у яких дзеркала із різних металів піддавали іонній бомбардуванню. Результати даних експериментів для дзеркал з міді (>Cu) і нержавіючої стали (SS) представлені нижче.

1.1Медние дзеркала

>Поликристаллические мідні дзеркала [7], оброблені алмазним гострінням, і мають середню шорсткість поверхні максимум 20 нм, посадили на спеціальному тримачі до камери. Вимірювання коефіцієнта відображення (R) вироблялосяпошагово, при багатократних експозиціях; середня товщинараспиленного шару (h) визначалася з тимчасової втрати маси за будь-якої експозицій плазмі. У описуваних експериментах використовували три ідентичних мідних дзеркала.


Одне було підтвердили розпорошення іонами із широкою спектром енергій (0.1 – 1.5кеВ). Іншебомбардировалось іонами з енергією 1.5кеВ, й третє, з енергією 0.65кеВ (середня енергія). Графік залежності коефіцієнта відображення середньої товщинираспиленного шару показаний на рис. 2.1. Як бачимо, має місце деградаціяотражательной здібності – з допомогою наростання шорсткості поверхні. З графіка видно, що дзеркало,бомбардируемое іонами з енергією 1.5кеВ, втратила близько сорока%отражательной здібності прираспиленном шарі 1.5мкм. При тієї середній товщиніраспиленного шару, дзеркало,бомбардируемое іонами із широкою спектром енергій (0.1 – 1.5кеВ), втратила трохи більше 25%. Найбільш хороші результати показало дзеркало, яке бомбардували іонами з енергією 0.65кеВ: втрата коефіцієнта відображення становила 15%. Відповідно, шорсткість для дзеркала,бомбардированного іонами 1.5кеВ, виявилася значно вищий, ніж двох інших зразків. З графіків видно, що відбувається невелике подовшання коефіцієнта відображення після початкових експозицій. Цей ефект пов'язані з розпиленнямоксидной плівки із поверхні дзеркала, що виникає якщо зберіганні зразка надворі.Рис. 2.1 показує, що знання спектра енергій іонів також важливо, якщо ми хочемо правильно передбачити вплив атомів перезарядження у перші дзеркала. Такий сильний ефект впливу енергії іонів наотражательную здатність, очевидно, пояснюється лише тим, що швидкість розпорошення зерен з різною орієнтацією збільшується зі зростанням енергії іонів.

1.2 Дзеркала із нержавіючої сталі (SS)

ЗалежністьR(h) від енергіїбомбардирующих іонів була досліджували також і однотипних полікристалічних (ПК) SS [8]– дзеркал (>рис.2.2). Дзеркала розпорошувалися що за різних напругах: -300 У, -650 У, -1500 У і із широкою розподілом іонів по енергій (>W.S.).

Порівняйте, на графіці [>9]помещени залежності, отримані для мідних дзеркал. Очевидно, що якісно коефіцієнт відображення для SS поводиться ж, як й уCu – зі зростанням енергії іонів, зменшується.

При фотографуванні [10] поверхні мідісканирующим електронним мікроскопом (>SEM), зазначалося, що шорсткість поверхні мідного дзеркала збільшується швидше, причому з наростанням енергії іонів зростає й ця швидкість. У порівняні зCu, результати бомбардування поверхні SS зразків істотно відрізняється. Зблизька фотографій, помітно, що незалежно від енергії іонів зберігається мозаїка гладких плато без ознак хаотичного мікрорельєфу навіть за товщиніраспиленного шару 4.5мкм. Але зі збільшенням енергії іонів збільшується різницю між глибинами плато, що зумовлює зниженняотражательной здібності.

Базуючись на вищеописаних результатах, можна сказати, що з будь-яких ПК дзеркал швидкість деградації коефіцієнта відображення зростатиме зі зростанням енергіїбомбардирующих іонів. Важливу роль відіграватиме середня енергія атомів перезарядження. За розрахунками, цю енергію становитиме 300 – 400еВ. За цих умов відбивна здатність дзеркал неспроможна зберігатися на прийнятному рівні у протягом всього терміну експлуатації реактора, якщо їх виготовляти з ПК матеріалів

1.3Аморфние дзеркала

У моделюючих експериментах провели порівняння при іонній бомбардуванню дзеркал з полікристалічних,монокристаллических і аморфних матеріалів. З результатів слід, що поверхню дзеркал з аморфних матеріалів зберігає гладку структуру при тривалої бомбардуванню.

Експерименти проводилися із трьома типами дзеркал [11] виготовленими на різних роботах:

1)Liquidmetal Technology Corporation (>LTC) США

2) Інститут фізики твердого тіла, матеріалів і технологій ННЦ ХФТІ (>ISSPMT)

3)Hahn-Meitner-Institute (>HMI) у Німеччині.

Дзеркала пройшли механічну полірування і плазмову очищення. Експеримент проводився при наступних параметрах: ne≈1010 див-3 і Te 5еВ. Після бомбардування знайшли неоднорідності, видимі всканирующем електронному мікроскопі й у оптичному мікроскопі. Ці неоднорідності становили лише лише 1-2 % від поверхні зразка не вельми впливали на оптичні властивості.SEM фотографіїнеоднородностей показані на рис. 2.3, а данімикрозондового аналізу показують превалювання елементів із меншим атомним числом, проти основний матрицею зразка. Аналіз інших зразків також виявив освітунеоднородностей.


Бомбардування зразків проводилася іонами дейтерію і аргону. Було виявлено, що це аморфні матеріали поглинають дуже багато дейтерію. Бомбардування дзеркал іонами дейтерію з енергіями порядкуkeV, призвела до різкого падінняотражательной здібності, і навіть зростанню глибининеоднородностей.

На рис. 2.4 представлена залежністьотражательной здібності від часу експозиції іонамидейтериевой плазми [12]. Очевидно, що буває після короткій експозиції широкий спектр енергій відбивна здатність різко падає. Проте, після тривалої бомбардування зразків іонами з низькою енергією відбивна здатність відновлюється до початкового рівня. Наступна бомбардуваннявисокоенергетичними іонами знову знову погіршуєотражательную здатність, а низькими - відновлює. Схоже явище зазначалося іISSPMT дзеркалах. Повторюваність такої поведінкиотражательной здібності означає, що падінняотражательной здібності викликано не освітою шорсткості поверхні, а через якихось хімічних реакцій.

Підсумовуючи цей короткий опис експериментів із аморфними дзеркалами, треба сказати, що досліджені аморфні дзеркала містятьгидридообразующие метали, і тому поглинають дуже багато дейтерію під час бомбардування іонамидейтериевой плазми.


2.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДОСЛІДЖЕННЯ

2.1 Загальні відома і мета досліджень

Основне завдання досліджень – вивчення зміниотражательной здібності перших дзеркал, при розпорошення їх поверхнями іонами із широкою спектром енергій (0,1-1,5)кеВ.

У результаті досліджень, також, визначалася швидкість розпорошення поверхні. Ця характеристика дзеркала легко визначається за допомогою формули 3.1:

, (3.1)

деr і P.S – площа зразка дзеркала і щільність його матеріалу.

При фіксованою щільності іонного струму j (>А/см2) потік іонів на зразок буде величиною постійної, отже отримана доза Dі:

Dі = Nі>t , (3.2)

де Nі– потік іонів на од. площі,t – час експозиції.

Отже, знаючи залежністьm(t), ми можемо визначити відповідність розпорошеною товщини h і отриманої дози Dі.

Ще однією характеристикою, важлива для поведінки дзеркала, є коефіцієнт розпорошення (>КР) дзеркал, визначається, як ставлення числа розпорошених атомів до отриманої дозі:

 (3.3)


2.2 Експериментальна установка

Вперше, експерименти дослідження впливу атомів перезарядження наотражательную здатність дзеркал, було проведеноИФП ХФТІ на установціДСМ-2 [13].

УДСМ-2 використовується проста схема, забезпечує бомбардування зразків дзеркал іонами з фіксованою чи широкий спектр по енергій.

Принципова схема установки представлена на рис.3.1,а на рис 3.2 показано схема подачі напруги на зразок.


>Рис. 3.2 схема подачі напруги на зразок

Установка є циліндричну камеру, виготовлену із нержавіючої сталі, довжиною 0,5 метрів і діаметром центральній частині 0,5 м. На торцях камери розташованіводоохлаждаемие магнітні котушки. Вони включені послідовно отже утворюють дзеркальну пастку (>пробкотрон) з магнітною індукцією 0,5кГс у центрі камери, й 2,25кГс у сфері пробок.

Камера використовується, якмногомодовий резонатор для НВЧ - потужності, яка вводять у камеру черезтефлоновое вікно, у вигляді прямокутного хвилеводу відСВЧ–генератора типу ">Хазар", (з урахуванням магнетронуМ-571, із частотою 2,375 ГГц). Потужність генератора може плавно змінюватися в тому діапазоні (>2002500) Вт. Джерелом іонів експериментально служить плазма НВЧ розряду за умовелектронно-циклотронного резонансу (>ЭЦР), на зазначеної частоті при введеної НВЧ - потужності 200 - 400 Вт. Щільність плазми становить ne~ 1010 див -3, при електронної температурі Тe » 5еВ. У умовах температура іонів відповідає газу при кімнатної температурі. Отже, установка, практично, є плазмовий джерело "холодних" іонів.

>Откачка робочої камери на високий вакуум здійснюєтьсятурбомолекулярним насосомТМН-500 імагниторазрядним насосомНОРД-250, включеними паралельно. Вакуум у робітничій камері перед напуском робочого газу сягає210-6торр, тоді як робочого газу в час експозиції становить (>78)10-5 >Торр. Безпосередньо перед напуском водню (дейтерію) Норд відключається, вакуум знижується до (>45)10-6 >Торр, і тому домішки на даний момент початку експозиції становлять близько56%. Тиск в камері вимірювалося поионизационной лампіПМИ-2.

Вимірювання складу залишкових газів здійснюється з допомогоюомегатронного аналізатораИПДО-2, при тиску у робітничій камері буде не гірший 10-7 >Торр.

Експерименти проводилися при тиску 2·10-5>10-3Торр. Нарис.3.3 представлена залежність щільності плазми ne та електронної температури Te тиску в камері. Як очевидно з графіка, температура електронів монотонно убуває зі збільшенням тиску. Щільність електронів максимальна при тиску (>78)·10-5 >Торр, що є оптимальним режимом щодо тиску.


Нарис.3.4 представлено радіальне розподіл електронної температури і щільність плазми у сфері "пробки". Як бачимо, неоднорідність плазми не перевищувала ±10% у сфері ~10 див, це що означає, що потік плазми на тестований зразок був однорідний.

Специфіка установкиДСМ-2 дозволяє подавати на зразок негативне напруга двох типів: постійне (0,1-1,5 кВ) і пульсує, що було суперпозицію постійного негативного усунення і позитивноїполуволни віддвухполупериодного випрямляча. Обробка зразків (дзеркал) ведеться в плазмовій потоці, випливаюче з магнітної пастки вздовж силових ліній, іонами, прискореними негативним потенціалом, докладеним до зразком.

Нарис.3.5 представлена тимчасова розгорнення напруження і іонного струму натестируемое дзеркало. Очевидно, що напруга й струм швидко змінюється у сфері високих значень поволі у сфері низьких. Таке розподіл дозволяє створити потік іонів із широкою спектром енергій.


Тимчасова залежністьускоряющего напруження і функція розподілу іонів по енергій представлена нарис.3.6. Ця залежність була отримані шляхом графічного диференціюваннявременнй розгорнення струму за напругою. Світлими точками на графіці показано поправка, що з вторинної електронної емісією.


2.3 Результати експериментів із дзеркалами з аморфних сплавів

Раніше, на установціДСМ-2, було проведено праці з дослідження дзеркал з аморфних сплавів, і навіть встановлено деякі чинники, що впливають поглинання аморфними дзеркалами водню (дейтерію).

Були вивчені ефекти при бомбардуванню іонамидейтериевой плазми аморфних дзеркал (АЗ)

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація