Реферат
на тему: «Зеркала из материалов свысокой отражательной способностью»
Харьков 2011
Введение
Одна из наиболее меняющихся проблем в созданиидиагностической системы для ИТЕРа является выбор подходящего материала длязеркала. Быстрая деградация поверхности под действием излучения, бомбардировкибыстрыми частицами, загрязнения являются механическими и тепловыми нагрузкамина элементы оптической диагностики, находящейся в диверторной области.
Первоначально, при выборе материала зеркала, учитываетсяэрозия под действием бомбардировки. Далее, учитывается повышенное содержанияпримесей в диверторной плазме, и как следствие, загрязнение всех элементовсистемы оптической диагностики. Предполагаемая доза аморфной углеводородной(a-C:H) пленки, осаждаемой на первые зеркала оптической системы, будет равна0,2 нм/мин. Углеводородная пленка прозрачна для красного и инфракрасногоспектра, но она может пагубно сказаться на отражательной способности металлов снизким изначальным коэффициентом отражения. На металлы с высоким коэффициентомотражения, углеводородная пленка не повлияет столь сильно.
Для уменьшения негативного влияния загрязнения, планируетсяиспользовать зеркала из материалов с высоким коэффициентом отражения (Ag, Al)покрытых прозрачной оксидной пленкой (Al2O3, ZrO2).Предполагается, что покрытие защитит зеркала от распыления и блистеринга.
Экспериментальные исследования
Основная задача исследований – изучение изменения отражательнойспособности зеркал, при распылении их поверхностями ионами дейтериевой плазмы.
В ходе исследований, также, определялась скорость распыленияповерхности. Данная характеристика зеркала легко определяется с помощьюформулы:
/>,
где rи S – площадь образца зеркала и плотность его материала.
При фиксированной плотности ионного тока j (А/см2)поток ионов на образец будет величиной постоянной, следовательно полученнаядоза Di:
Di = Ni×t,
где Ni– поток ионов на ед. площади, t – времяэкспозиции.
Таким образом, зная зависимость m(t), мы можем определить соответствие распыленной толщины h иполученной дозы Di.
Экспериментальная установка
Эксперименты по исследованию влияния атомов перезарядки наотражательную способность зеркал проводились на установке ДСМ-2.
/>
Рис. 1. – Принципиальная схема установкиДСМ-2:
1 – Баллоны с дейтерием и водородом; 2 –редукторы;
3а – пьезонатекатель; 3b – игольчатыйнатекатель; 4 – откачной порт;
5 – водоохлаждаемые катушки магнитногополя; 6 – тефлоновое окно;
7 – ввод СВЧ – мощности; 8 – рабочаявакуумная камера;
9 – вакуумный клапан ДУ-50; 10 – шлюзоваякамера с
дифференциальной откачкой; 11 –коаксиальный шток.
В ДСМ-2 используется простая схема, обеспечивающаябомбардировку образцов зеркал ионами с фиксированным или широким спектром поэнергиям. Принципиальная схема установки представлена на рис. 1, а на рис 2показана схема подачи напряжения на образец.
/>
Рис. 2. – Схема подачи напряжения наобразец
Установка представляет собой цилиндрическую камеру,изготовленную из нержавеющей стали, длиной 0,5 м и диаметром в центральной части 0,5 м. На торцах камеры расположены водоохлаждаемые магнитныекатушки. Они включены последовательно так, что образуют зеркальную ловушку(пробкотрон) с магнитной индукцией 0,5 кГс в центре камеры и 2,25 кГс в областипробок.
Камера используется, как многомодовый резонатор для СВЧ – мощности,которая вводится в камеру через тефлоновое окно, посредством прямоугольноговолновода от СВЧ-генератора типа «Хазар», (на основе магнетрона М-571, счастотой 2,375 ГГц). Мощность генератора может плавно меняться в диапазоне (200¸2500) Вт. Источником ионов вэксперименте служит плазма СВЧ разряда в условиях электронно-циклотронногорезонанса (ЭЦР), на указанной частоте при вводимой СВЧ – мощности 200-400 Вт.Плотность плазмы составляет ne~ 1010 см -3, при электроннойтемпературе Тe » 5 эВ. В этих условиях температура ионов соответствует газу при комнатнойтемпературе. Таким образом, установка, практически, представляет собой плазменныйисточник «холодных» ионов.
Откачка рабочей камеры на высокий вакуум осуществляетсятурбомолекулярным насосом ТМН-500 и магниторазрядным насосом НОРД-250,включенными параллельно. Вакуум в рабочей камере перед напуском рабочего газа достигает2×10-6 торр, в то время какдавление рабочего газа во время экспозиции составляет (7¸8)×10-5 Торр. Непосредственно перед напуском водорода(дейтерия) НОРД отключается, вакуум снижается до (4¸5)×10-6 Торр, и поэтому примеси на момент началаэкспозиции составляют около 5¸6%. Давление в камере измерялось по ионизационной лампеПМИ-2. Эксперименты проводились при давлении 2·10-5¸10-3 Торр.
На рис. 3 представлена зависимость плотности плазмы neи электронной температуры Te от давления в камере. Как видно изграфика, температура электронов монотонно убывает с увеличением давления.Плотность электронов максимальна при давлении (7¸8)·10-5 Торр, что являетсяоптимальным режимом по давлению.
/>
Рис. 3. – Зависимость плотности плазмы neи электронной температуры
Te от давления рабочего газа (дейтерия)
На рис. 4 представлено радиальное распределение электроннойтемпературы и плотности плазмы в области «пробки». Как видно, неоднородностьплазмы не превышала ±10% в области ~10 см, это значит, что поток плазмы натестируемый образец был однороден.
/>
Рис. 4. – Радиальное распределениеплотности плазмы и электронной
температуры в области «пробки»
Методика и проведение эксперимента
Перед экспериментом производится установка образца вдержатель. Держатель с образцом помещается в шлюзовую камеру, котораяоткачивается форвакуумным насосом до давления 3-4 мВ по шкале вакуумметраВИТ-1. Параллельно со шлюзовой камерой откачивается камера магнитной ловушки додавления ~ 10-5торр. После предварительной откачки шток с образцом вводится в камеру черезскользящее уплотнение, так, что образец оказывается в потоке плазмы, вытекающемиз магнитной ловушки вдоль силовых линий. Производится откачка камеры навысокий вакуум – (2-3)´10-6 торр, одновременно с откачкой в камере зажигается СВЧ-разряд,с целью обезгаживания стенок камеры. Контроль и измерения вакуума ведутся спомощью вакуумметра ВИТ-1. По достижении необходимого вакуума, в камеру избаллона напускается дейтерий. Напуск производится при помощи пьезонатекателя дорабочего давления (7-8) ´ 10-6 торр.
Затем в камере зажигается СВЧ ЭЦР разряд. Экспозицияпроводилась с двумя разными энергиями потока ионов: низкая энергия (ускоряющеенапряжение – 60 эВ) и высокая энергия (1 кэВ). Измерение напряжения и тока наобразец производится с помощью вольтметра и миллиамперметра. После экспозицииобразец извлекается из вакуумной камеры и взвешивается. Измерения массыпроизводятся на равноплечих весах ВЛР-2 с точностью до 20 мкг. Из несколькихизмерений вычисляется среднее значение Δm.
Эксперименты проводились с разными типами зеркал: а) зеркалона Si подложке с ZrO2 пленкой, б) зеркало на Si подложке с AgZrпленкой.
Данные эксперимента для зеркал SiAgZr
В эксперименте использовались три идентичных зеркала накоторые подавались разные напряжения. Величина тока на образец составила j=2.65мА/см2, рабочее давление PD=7.5x10-5 Торр. Проводиласьсерия экспозиций с разными временами. На рис. 5, 6, 7 представлены коэффициентыотражения на разных длинах волн после каждой экспозиции для трех зеркал.
/>
Рис. 5. – Коэффициенты отражения длязеркала SiAgZr #1
/>
Рис. 6. – Коэффициентыотражения для зеркала SiAgZr #2
/>
Рис. 7. – Коэффициентыотражения для зеркала SiAgZr #3
Данные экспериментадля зеркал SiZrО2
зеркалоотражательный дейтериевый волна экспозиция
В эксперименте использовались два идентичных зеркала накоторые подавались разные напряжения. Величина тока на образец составилаj=1,482 мА/см2, рабочее давление PD=7.5x10-5 Торр.Проводилась серия экспозиций с разными временами. На рис. 8, 9 представленыкоэффициенты отражения на разных длинах волн после каждой экспозиции для двухзеркал.
/>
Рис. 8. – Коэффициенты отражения длязеркала SiZrО2 #1
Перед экспозицией образец был взвешен m0= 0.132940 г ± 20 мкг. После серии экспозиций вес образца изменился ∆m = 40 мкг, что соответствуетраспыленному слою толщиной 57,5 нм.
/>
Рис. 9. – Коэффициентыотражения для зеркала SiZrО2 #2
Перед экспозицией образец был взвешен m0= 0,133670 г ± 20 мкг. После серии экспозиций вес образца изменился ∆m = 10 мкг ± 20 мкг, чтосоответствует распыленному слою толщиной 43 нм.
Вывод
Зеркала из материалов с высокой отражательной способностью,покрытые оксидными пленками, могут в дальнейшем использоваться в системеоптической диагностики в области диверторной плазмы. Из экспериментальныхрезультатов видно, что при бомбардировке зеркал с пленочным покрытием ионамималой энергии, которая будет использоваться для чистки камеры, толщина пленкисущественно не меняется.