Plasma Cleaning of Metallic Mirrors from Carbon-Containing Films - New Possibilities for In Situ Monitoring of the Efficiency of Wall Conditioning in Fusion Devices

The method proposed for measuring the erosion rate of the carbon film, pre-deposited on the mirror-like surface of the test metallic samples, directly during wall conditioning procedures in a fusion device. The practical realization of the method provided at the DSM-2 stand where deuterium plasma produced in conditions of electron resonance at frequency 2.45 GHz used for cleaning the samples. For controlling C-film thickness the time variation of electrical conductivity of the circuit '˜film+plasma+entire scheme' was measured. The final cleaning stage sets according to the saturation section corresponding to the resistance of the entire measuring scheme. To check the state of full purification of samples from a carbon-containing film the reflectance at normal incidence in the wavelength 220-650 nm was measured before C-film deposition, just after C-film deposition, and after finishing the cleaning procedure. In all cases (16 experiments) the approach of total resistance to the 'ntire resistance' of the scheme in use was supported by restoration of the reflectance of stainless steel samples to its initial value. The method can be reversed, i.e. allows one to control in situ the appearance of a contaminating layer growing on the surface of a metal sample, preliminary cleaned before being installed in a vacuum vessel

Effects of water impact on optical properties of metallic mirror samples

The effects of exposure in water or water steam on optical properties of mirror samples fabricated of different metals were studied. Materials of samples were: tungsten, beryllium, molybdenum, stainless steel, nickel, copper, rhodium, and amorphous alloys of two compositions. The material of the mirror was found to play a decisive role in degree of impact of water or water vapor on mirror degradation. The most strongly degraded Mo and Cu mirror samples, and the lowest degradation was observed for SS and Rh/SS mirror samples. The reflectance can be restored practically initial level when after water impact procedure the mirrors are exposed to ions of Ar plasma with energy ≥100 eV up to ion fluence >10¹⁹ ion/cm².Вивчено ефекти впливу води або водяної пари на оптичні властивості зразків дзеркал, виготовлених з різних металів: молібдену, вольфраму, нержавіючої сталі, нікелю, міді, родію, берилію і аморфних сплавів двох композицій. Було виявлено, що матеріал дзеркала відіграє вирішальну роль у мірі впливу води або водяної пари на деградацію дзеркала. Найбільш сильно деградували Mo- і Cu- зразки, а найнижча деградація спостерігалася для дзеркал SS і Rh/SS. Коефіцієнт віддзеркалення може бути відновлений до практично початкового рівня, якщо після впливу води дзеркала піддаються впливу іонів Ar-плазми з енергією ≥100 еВ до іонного флюєнса >10¹⁹ іонів/см².Изучены эффекты воздействия воды или водяного пара на оптические свойства образцов зеркал, изготовленных из разных металлов: молибдена, вольфрама, нержавеющей стали, никеля, меди, родия, бериллия и аморфных сплавов двух композиций. Было обнаружено, что материал зеркала играет решающую роль в степени воздействия воды или водяного пара на деградацию зеркала. Наиболее сильно деградировали Mo- и Cu- образцы, а самая низкая деградация наблюдалась для зеркал SS и Rh/SS. Коэффициент отражения может быть восстановлен до практически начального уровня, если после воздействия воды зеркала подвергаются воздействию ионов Ar-плазмы с энергией ≥100 эВ до ионного флюенса >10¹⁹ ионов/см²

First results with collecting probes in U-2M torsatron

The results are presented on a postmortem analysis of the mirror-like SS samples and two glass samples exposed in the Uragan-2M (U-2M) vacuum chamber during experimental campaigns in 2015 and 2016 years. The examination of the samples, after their removal from the chamber, has revealed that all of them were coated with a carbon-containing film of thickness dependent on the sample position. All metal samples were easily cleaned by low energy ions of deuterium plasma, excluding the one located nearby the RF antenna, which was used for RF plasma production.Представленo результати аналізу поверхні зразків дзеркал з нержавіючої сталі і двох скляних зразків, експонованих у вакуумній камері установки Ураган-2М протягом двох експериментальних кампаній (2015 і 2016 рр.). Після вилучення зразків з вакуумної камери було виявлено, що всі вони покриті вуглецевмісною плівкою, товщина якої залежить від положення зразка. Всі металеві зразки були легко очищені від забруднюючого шару низькоенергетичними іонами дейтерієвої плазми, за винятком того, що розташовувався поблизу ВЧ-антени, яка використовувалася для створення плазми.Представлены результаты анализа поверхности образцов зеркал из нержавеющей стали и двух стеклянных образцов, экспонированных в вакуумной камере установки Ураган-2М в течение двух экспериментальных кампаний (2015 и 2016 гг.). После изъятия образцов из вакуумной камеры было обнаружено, что все они покрыты углеродсодержащей пленкой, толщина которой зависит от положения образца. Все металлические образцы были легко очищены от загрязняющего слоя низкоэнергетичными ионами дейтериевой плазмы, за исключением образца, располагавшегося вблизи ВЧ-антенны, которая использовалась для создания плазмы

The method for in situ monitoring of the quality of in-vessel mirrors in a fusion reactor

In laser and optical methods of plasma diagnostics in ITER the most critical components of the measurement schemes will be the First Mirrors (FM) facing the burning plasma and located rather close to plasma volume. It is very important to check regularly the working condition of FM surface in situ, e.g., to control the Quality of transmitted Image (IQ) or signal. In the present work we compare the results of measurements of IQ made in situ, directly on the plasma device DSM-2 during mirror exposure to ion bombardment, with a compact optical scheme in use, and the results of ex situ measurements (on the DIQ stand) – with two times longer distance to mirror (~2.5 meters).В лазерних та оптичних методах діагностики плазми в ITER’і критичним елементом схеми вимірювань є перше дзеркало (FM), розміщене в безпосередній близькості до плазмового шнура. Тому дуже важливо відстежувати стан поверхні in situ, наприклад, контролюючи якість переданого зображення (IQ). У даній роботі ми порівнюємо результати вимірювань IQ зроблених за допомогою компактної оптичної схеми in situ, безпосередньо під час експонування дзеркала на плазмовій установці DSM-2, з результатами ex situ- вимірювань (на DIQ стенді) – з більш віддаленим положенням дзеркала.В лазерных и оптических методах диагностики плазмы в ITER’е критичным элементом схемы измерений является первое зеркало (FM), размещённое в непосредственной близости к плазменному шнуру. Поэтому очень важно отслеживать состояние поверхности in situ, например, контролируя качество передаваемого изображения (IQ). Мы сравниваем результаты измерений IQ, сделанных с использованием компактной оптической схемой in situ, непосредственно во время экспонирования зеркала на плазменной установке DSM-2, с результатами ex situ- измерений (на DIQ стендe) – с более удалённым положением зеркала

Specular and diffusive reflectance of stainless steel mirrors sputtered with Ar⁺ ions

It was shown that a light source with edge sharpness can be used for very sensitive measurements of the ratio of specular and diffusive components of reflectance of the mirror subjected to sputtering.Измерение изображения резко очерченного источника света, отраженного от зеркала (IQ-метод), является очень чувствительным методом регистрации соотношения зеркального и диффузного компонентов коэффициента отражения при распылении испытуемых образцов.Вимірювання зображення різко окресленого джерела світла, відбитого від дзеркала (IQ-метод), є дуже чутливим методом реєстрації співвідношення дзеркального та дифузного компонентів коефіцієнта відбиття при розпиленні випробовуваних зразків

The microrelief studies of stainless steel mirrors sputtered with Ar⁺ ions of different energy

Four stainless steel mirror specimens were sputtered to an identical mean thickness of the eroded layer 2 μm with Ar⁺ ions. Each specimen was exposed to ions with one kinetic energy from the followings: 300, 600, 1000, and 1350 eV. With the methods of microscopy and profilometry of microrelief the positive correlation was shown between the r. m. s. roughness, the power spectral density of the Fourier spectrum of the longitudinal wavelengths, on one hand, and the energy of ions, on the other hand.Чотири зразки дзеркал із нержавіючої сталі були розпилені до однакової середньої товщини еродованого шару 2 мкм іонами Ar⁺ . Кожен зразок експонувався до іонів з наступною кінетичною енергією:300, 600, 1000 і 1350 еВ. З використанням методів мікроскопії і профілометрії мікрорельєфу було показано позитивну кореляцію між середньоквадратичною шорсткістю, спектральною густиною потужності спектра Фур'є поздовжніх довжин хвиль з одного боку, та енергією іонів з іншого бокуЧетыре образца зеркал из нержавеющей стали были распылены до одинаковой средней толщины эродированного слоя 2 мкм ионами Ar⁺ . Каждый образец экспонировался к ионам со следующей кинетической энергией: 300, 600, 1000 и 1350 эВ. С использованием методов микроскопии и профилометрии микрорельефа была показана положительная корреляция между среднеквадратичной шероховатостью, спектральной плотностью мощности спектра Фурье продольных длин волн с одной стороны, и энергией ионов с другой стороны

Simulating study of plasmachemical erosion of a-C:H films in a ECR discharge plasma

The dynamics of interference figure of the reflection spectrum for stainless steel and copper mirrors with specially deposited carbon-containing film (ɚ-C:H) were studied when the film was gradually eroded under impact of a deuterium plasma produced in conditions of electron cyclotron resonance (ECR). The refraction coefficient of the film was estimated and the rate of the film removal was obtained.Досліджувалася динаміка інтерференційної картини спектру віддзеркалення сталевих і мідних дзеркал з штучно нанесеною вуглецьвмісною плівкою (a-C:H) по мірі розпилювання в дейтерієвій плазмі ЕЦР-розряду. Проведена оцінка коефіцієнта заломлення плівки. Отримана кількісна оцінка швидкості розпилювання.Исследовалась динамика интерференционной картины спектра отражения стальных и медных зеркал с искусственно нанесенной углеродсодержащей пленкой (a-C:H) по мере распыления в дейтериевой плазме ЭЦР-разряда. Проведена оценка коэффициента преломления пленки. Получена количественная оценка скорости распыления

The prospect on the use of Be mirrors in a fusion reactor with Be first wall

Many methods of plasma diagnostics in a fusion reactor (FR) require the use of so called first mirrors (FM) disposed inside the vacuum vessel. One reason of FM degradation is the deposition on the FM surface of material eroded from the inner components subjected to most intensive plasma impact, i.e., deposition of beryllium in the case of experimental FR (ITER) with Be wall protection. Thus, in ITER only Be mirror can sustain its optical properties for long time and in the present paper results are presented of the simulation experiments on some ITER environment effects on FM made of Be. Namely, effects of bombardment by D ions on reflectance, R(λ), in the λ=220-650 nm range was studied as modelling the impact of charge exchange atoms. It was found that with high ion energy (600-1350 eV) the sharp drop of R(λ), 5-20 %, rising with decreasing wavelength of reflected light, was observed after ion fluence ~10¹⁸ions/cm². It was supposed that under deuterium ions the BeO surface film was transformed into the Be(OD)₂ film accompanying by changing the refraction and extinction indices of the film, as was registered by ellipsometry measurements. Effects of ion energy and ion fluence variation on R(λ) of Be mirrors are discussed in detail.Багато методів діагностики плазми в реакторі синтезу (РC) вимагають використання так званих перших дзеркал (ПД), розташованих у внутрішній частині вакуумної камери. Одна з причин деградації ПД - осадження на поверхні ПД матеріалу ерозії внутрішніх компонентів, що піддавались найбільш інтенсивній плазмовій дії, тобто, осадження берилiю у випадку експериментального РС (ІTER) із захистом стінки з Be. Таким чином, тільки в ІTERі дзеркало з Be може зберігати оптичні властивості протягом довгого часу, і в наведеній роботі представлені результати експериментів моделювання деяких ефектів середовища ІTER для ПД, виготовленого з Be. А саме, вплив бомбардування іонами D на коефіцієнт відображення, R(λ), у діапазоні λ=220–650 нм вивчався у рамках моделі ударного впливу атомів перезарядження. При високих енергіях іонів (600-1350 eВ) було виявлене різке зниження R(λ), 5-20 %, зростаюче при зменшенні довжини хвилі відбитого світла, яке спостерігалось після флюенса іонів ~10¹⁸ іонів/cм². Передбачалося, що під дією іонів дейтерію поверхнева плівка Be була перетворена на Be(OD)₂ плівку, що супроводжувалось зміною показників рефракції і экcтинкції плівки, як було зареєстровано вимірами эліпсометрії. Докладно обговорювалось вплив енергії іонів і варіацій флюенсу іонів на R(λ) Be дзеркала.Многие методы диагностики плазмы в реакторе синтеза (РC) требуют использования так называемых первых зеркал (ПЗ), расположенных во внутренней части вакуумной камеры. Одна из причин деградации ПЗ – осаждение на поверхности ПЗ материала эрозии внутренних компонент, подвергавшихcя наиболее интенсивному воздейcтвию плазмы, то есть, осаждение бериллия в экспериментальном РC (ITER) с защитой cтенки из Be. Таким образом, только в ITERе зеркало из Be может cохранять оптические свойства в течение долгого времени. В данной работе представлены результаты экспериментов моделирования некоторых эффектов влияния cpеды ITER на ПЗ, изготовленное из Be. А именно, влияние бомбардировки ионами D на коэффициент отражения, R(λ), в диапазоне λ=220-650 нм изучалоcь в рамках модели ударного воздействия атомов перезарядки. Пpи высоких энергиях ионов (600–1350 эВ) было обнаружено резкое снижение R(λ), 5-20%, возpаcтающее пpи уменьшении длины волны отраженного света, которое наблюдалоcь после воздействия флюенса ионов ~10¹⁸ ионов/cм². Предполагалось, что под дейcтвием ионов дейтерия поверхностная пленка BeO преобразовалась в Be(OD)₂ пленку, что сопровождалоcь изменением показателей рефракции и экcтинкции пленки, как было зарегистрировано измерениями эллипсометрии. Подробно обcуждалоcь влияние энергии ионов и вариаций флюенса ионов на R(λ) Be зеркала

Simulation of neutron influence on tungsten mirrors

The effect of neutron irradiation on behavior of optical characteristics for two types of tungsten mirrors was modeled. Preliminary irradiated rcW and WJ-IG mirrors with 20 MeV W⁶⁺ ions were used for experiments. Changes in the surface morphology and optical characteristics of the samples were investigated in the sputtering process.Изучалось влияние нейтронного облучения на поведение оптических свойств двух типов вольфрамовых зеркал rcW и WJ-IG. Зеркала предварительно облучались ионами W⁶⁺ с энергией 20 МэВ. В процессе распыления исследовались изменения морфологии поверхности и оптических характеристик образцов.Вивчався вплив нейтронного опромінення на поведінку оптичних властивостей двох типів вольфрамових дзеркал rcW та WJ-IG. Дзеркала попередньо були опромінені іонами W⁶⁺ з енергією 20 МеВ. Під час процесу розпилення досліджувалися зміни морфології поверхні та оптичних властивостей зразків