Plasma-surface interaction and mechanisms of dust production in ITER ELM simulation experiments with QSPA Kh-50

Experimental simulations of ITER transient events with relevant surface heat load parameters (energy density and the pulse duration) were carried out with a quasi-stationary plasma accelerator QSPA Kh-50. The several mechanisms of dust generation from tungsten surfaces were identified. The major cracks development and it bifurcation led to generation dust particles with sizes up to tens μm. Melting of surface and development of fine meshes of cracks along the grain boundaries are accompanied by resolidified bridges formation through the fine cracks. Such bridges produce nm-size dust. Appearance of sub-micron and nanometer-size cellular structures under plasma irradiation can leads to the intensification of the dust formation.Экспериментальное моделирование ИТЭР переходных явлений с соответствующими параметрами тепловых нагрузок на поверхность (плотности энергии и длительности импульса) выполнены в квазистационарном плазменном ускорителе КСПУ Х-50. Были идентифицированы несколько механизмов генерации пыли с поверхности вольфрама. Развитие макротрещин и их бифуркация привели к генерации частиц пыли размером до десятков микрометров. Плавление поверхности и развитие сетки мелких трещин по границам зерен, сопровождаются образованием перезатвердевших мостов через мелкие трещины. Такие мосты создают наноразмерную пыль. Появление субмикронных и наноразмерных ячеистых структур при облучении плазмой может интенсифицировать образование пыли.Експериментальне моделювання ІТЕР перехідних явищ з відповідними параметрами теплових навантажень на поверхню (густини енергії і тривалості імпульсу) виконані в квазістаціонарному плазмовому прискорювачі КСПП Х-50. Були ідентифіковані декілька механізмів генерації пилу з поверхні вольфраму. Розвиток макротріщин і їх біфуркація привели до генерації частинок пилу розміром до десятків мікрометрів. Плавлення поверхні і розвиток сітки дрібних тріщин по границях зерен супроводжуються утворенням перезатверділих мостів через дрібні тріщини. Такі мости створюють нанорозмірний пил. Поява субмікронних і нанорозмірних стільникових структур під час опромінення плазмою може інтенсифікувати утворення пилу

Damage of 3D tungsten targets in the course of ITER ELM-like heat loads

The damage of tungsten target under repetitive plasma loads have been studied with a quasi-stationary plasma accelerator QSPA Kh-50. The target construction was close to the ITER divertor reference design. The plasma stream parameters were relevant to ITER ELMs (surface heat load of 0.9 MJ/m² and pulse duration of 0.25 ms). The features of surface erosion and particle emission have been investigated in the course of increasing number of plasma pulses. The number of solid/droplet particles separated from the exposed target and their dynamics depend on the applied exposition dose. The contribution of different erosion mechanisms to the tungsten target destruction was evaluated.Изучены повреждения вольфрамовой мишени при многократном облучении плазмой в квазистационарном плазменном ускорителе КСПУ Х-50. Мишень имела конструкцию, близкую к строению компонентов дивертора ИТЭР. Параметры потоков плазмы выбраны близкими к ELM в ИТЭР (тепловая нагрузка на поверхность составляла 0,9 МДж/м², длительность импульса – 0,25 мс). Исследованы особенности эрозии поверхности и эжекции капель при увеличении количества плазменных импульсов. Показано, что количество пыли/капель и динамика частиц, отделившихся от облучаемой мишени, зависят от дозы облучения. Анализируется вклад разных механизмов эрозии в разрушение вольфрамовой мишени.Вивчено пошкодження вольфрамової мішені під час багаторазового опромінення плазмою в квазістаціонарному плазмовому прискорювачі КСПП Х-50. Мішень мала конструкцію близьку до будови компонентів дивертора ІТЕР. Параметри потоків плазми обрані близькими до ELM в ІТЕР (теплове навантаження на поверхню становило 0,9 МДж/м², тривалість імпульсу – 0,25 мс). Досліджено особливості ерозії поверхні та ежекції крапель зі збільшенням кількості плазмових імпульсів. Показано, що число та динаміка пилу/крапель, які відокремилися від опромінюваної мішені, залежать від дози опромінення. Визначено внесок різних механізмів ерозії в руйнування вольфрамової мішені

Castellated structures behaviour under QSPA Kh-50 plasma exposures in ITER relevant conditions

The experimental study of castellated target erosion under relevant to ITER ELMs surface heat load (i.e., energy density and the pulse duration as well as particle loads) was performed in QSPA Kh-50 quasi-stationary plasma accelerator. The damage of surface, mechanisms of solid/liquid particle ejection for different parts of castellated targets exposed to QSPA plasma streams has been studied in the course of increasing number of pulses. It is shown that melt dynamics at the structure edges, droplet splashing and molten bridges through the slits are determining processes in macroscopic erosion of castellated surface structures.На квазистационарном плазменном ускорителе КСПУ Х-50 проведено экспериментальное изучение эрозии зубчатых мишеней под воздействием поверхностных тепловых (удельная энергия и длительность импульса) и корпускулярных нагрузок, характерных для режимов ELM в ИТЭР. Повреждение поверхности, механизмы эжекции частиц в твердой и капельной фазе из различных частей мишени исследованы в зависимости от количества плазменных импульсов. Показано, что динамика движения расплава на границах структур, разбрызгивание капель и появление «мостиков» расплава через зазоры между составляющими мишени являются определяющими процессами в макроскопической эрозии составных поверхностных структур.На квазістаціонарному плазмовому прискорювачі КСПП Х-50 проведено експериментальне вивчення ерозії зубчастих мішеней під впливом поверхневих теплових (питома енергія і тривалість імпульсу) і корпускулярних навантажень, характерних для режимів ELM в ІТЕР. Пошкодження поверхні, механізми ежекції частинок в твердій і крапельній фазі з різних частин мішені досліджені в залежності від кількості плазмових імпульсів. Показано, що динаміка руху розплаву на межах структур, розбризкування крапель і поява «містків» розплаву через зазори між складовими мішені є визначальними процесами в макроскопічній ерозії складених поверхневих структур

Study of KS KL Coupled Decays and KL -Be Interactions with the CMD-2 Detector at VEPP-2M Collider

The integrated luminosity about 4000 inverse nanobarn of around phi meson mass ( 5 millions of phi mesons) has been collected with the CMD-2 detector at the VEPP-2M collider. A latest analysis of the KS KL coupled decays based on 30 % of available data is presented in this paper. The KS KL pairs from phi meson decays were reconstructed in the drift chamber when both kaons decayed into two charged particles. From a sample of 1423 coupled decays a selection of candidates to the CP violating KL into pi+ pi- decay was performed. CP violating decays were not identified because of the domination of events with a KL regenerating at the Be beam pipe into KS and a background from KL semileptonic decays. The regeneration cross section of 110 MeV/c KL mesons was found to be 53 +- 17 mb in agreement with theoretical expectations. The angular distribution of KS mesons after regeneration and the total cross section of KL for Be have been measured.Comment: 14 pages, 8 figure

Characterization of macroscopic erosion of castellated and flat tungsten surfaces under ITER-like transient plasma loads

The damages of tungsten targets with different geometries under repetitive transient hydrogen plasma loads have been studied with a quasi-stationary plasma accelerator QSPA Kh-50. The results of the experiments on target with geometry close to ITER divertor reference design have been compared to results of previous experiments on flat target. The plasma stream parameters were relevant to ITER ELMs (surface heat load above the melting (0.6 MJ/m²) and below the evaporation (1.1 MJ/m²) thresholds of tungsten and pulse duration of 0.25 ms). Surface erosion and dynamics of erosion products have been investigated in the course of repetitive plasma pulses. The crack networks and progressive corrugation occurred on the surface of all the targets exposed to a large number of plasma pulses. Melt motion leads to grow of protuberances on edges of castellated target units. Unlike the flat targets, the separation of liquid/solid particles from the edges of the units is the most significant source of the castellated targets erosion.Вивчено пошкодження вольфрамових мішеней з різною геометрією при повторюваних імпульсних навантаженнях водневої плазмою в квазістаціонарному плазмовому прискорювачі КСПП Х-50. Результати експериментів з мішенню, що має геометрію близьку до конструкції дивертора IТЕР, зіставлені з результатами для пласких мішеней. Параметри потоків плазми обрані близькими до ELM в ІТЕР (поверхневе теплове навантаження вище порога плавлення (0,6 МДж/м²) та нижче порога випаровування вольфраму (1,1 МДж/м²), тривалість імпульсу 0,25 мс). Представлена характеристика ерозії поверхонь і ежекції частинок з мішеней в умовах повторюваних плазмових імпульсів. На поверхнях мішеней, опромінених великою кількістю плазмових імпульсів, виявлені сітки тріщин і виражена хвиляста структура. Рух розплаву призводить до зростання виступів на краях елементів зубчастої мішені. На відміну від плоских мішеней відділення рідких/твердих частинок з країв елементів становить найбільш істотне джерело ерозії зубчастих мішеней.Изучены повреждения вольфрамовых мишеней с различной геометрией при повторяющихся импульсных нагрузках водородной плазмой в квазистационарном плазменном ускорителе КСПУ Х-50. Результаты экспериментов с мишенью, имеющей близкую к конструкции дивертора ИТЭР геометрию, сопоставлены с результатами для плоских мишеней. Параметры потоков плазмы выбраны близкими к ELM в ИТЭР (поверхностная тепловая нагрузка выше порога плавления (0,6 МДж/м²) и ниже порога испарения вольфрама (1,1 МДж/м²), длительность импульса 0,25 мс). Представлена характеристика эрозии поверхностей и эжекции частиц с мишеней в условиях повторяющихся плазменных импульсов. На поверхностях мишеней, облученных большим количеством плазменных импульсов, обнаружены сетки трещин и выраженная волнистая структура. Движение расплава приводит к росту выступов на краях элементов зубчатой мишени. В отличиe от плоских мишеней отделение жидких/твердых частиц с краев элементов составляет наиболее существенный источник эрозии зубчатых мишеней

Damaging of pure tungsten with different microstructure under sequential QSPA and LHD plasma loads

The cracking thresholds were evaluated for tungsten samples with different microstructure in the course of QSPA Kh – 50 repetitive plasma loads. No damage has been observed on the exposed surfaces under 0.1 MJ/m². Nevertheless, cracks were detected in the bulk of irradiated tungsten (with longitudinal grain orientation). Increasing heat load up to 0.2 MJ/m² caused the damaging of all types of tungsten targets. The observed cracks propagate to the bulk mainly transversely and parallel to the irradiated surface. The effect of the subsequent exposure with LHD divertor plasma on the tungsten samples was analyzed. The obtained results are discussed.Було оцінено пороги розтріскування для зразків вольфраму з різною мікроструктурою в процесі повторюваних плазмових навантажень КСПП Х–50. При навантаженнях менше 0,1 МДж/м², на відкритих поверхнях зразків вольфраму ушкоджень не спостерігається. Проте, тріщини спостерігаються в обсязі опроміненого зразка вольфраму з поздовжньою орієнтацією зерен. Підвищення теплового навантаження до 0,2 МДж/м² призводить до пошкодження всіх типів вольфрамових мішеней. Тріщини поширюються в обсязі в основному поперечно і паралельно до опромінюваної поверхні. Проаналізовано вплив діверторної плазми LHD на поверхню зразків вольфраму. Порівнюються результати впливу на зразки вольфраму з різною мікроструктурою.Были оценены пороги растрескивания для образцов вольфрама с различной микроструктурой в процессе повторяющихся плазменных нагрузок КСПУ Х–50. При нагрузках менее 0,1 МДж/м² на открытых поверхностях образцов вольфрама повреждений не наблюдается. Тем не менее трещины наблюдаются в объеме облученного образца вольфрама с продольной ориентацией зерен. Повышение тепловой нагрузки до 0,2 МДж/м² приводит к повреждению всех типов вольфрамовых мишеней. Наблюдаемые трещины распространяются в объеме в основном поперечно и параллельно облучаемой поверхности. Проанализировано влияние диверторной плазмы LHD на поверхность образцов вольфрама. Сравниваются результаты воздействия на образцы вольфрама с различной микроструктурой

Erosion properties of tungsten and WTa5 alloy exposed to repetitive QSPA plasma loads below melting threshold

The damage of deformed double forged pure tungsten (W) and tungsten alloyed with 5 wt.% tantalum (WTa5) have been studied in experimental simulations of ITER-like transient events (surface heat load of 0.45 MJ/m² and the pulse duration of 0.25 ms) with quasi-stationary plasma accelerator QSPA Kh-50. The plasma exposures were performed for targets maintained at room temperature and preheated at 200 or 300°C. The large and fine cracks appeared in result of plasma impacts. The high number of repetitive plasma loads below the melting threshold led to the clear degradation of thermo-mechanical properties of the affected surface layers on tungsten. Comparative analysis of the cracks propagation to the bulk is presented for both W and WTa5 samples.Вивчено пошкодження деформованого подвійною ковкою чистого вольфраму (W) та з легуючою 5 об.% домішкою танталу (WTa5) при експериментальному моделюванні умов перехідних процесів в ІТЕР (теплове навантаження на поверхню 0,45 МДж/м² , тривалість імпульсу 0,25 мс) у квазістаціонарному плазмовому прискорювачі КСПП Х-50. Опромінення мішеней плазмою проводили при кімнатній початковій температурі та з підігрівом до 200 та 300°C. В результаті плазмового впливу з’являлися великі й маленькі тріщини. Велика кількість повторюваних плазмових навантажень нижча порога плавлення привела до явної деградації термомеханічних властивостей пошкоджених приповерхневих шарів вольфраму. Представлено порівняльний аналіз розповсюдження тріщин в об'єм для W- і WTa5-зразків.Изучены повреждения деформированного двойной ковкой чистого вольфрама (W) и с легирующей 5 об.% добавкой тантала (WTa5) при экспериментальном моделировании условий переходных процессов в ИТЭР (тепловая нагрузка на поверхность 0,45 МДж/м² , длительность импульса 0,25 мс) в квазистационарном плазменном ускорителе КСПУ Х-50. Облучение мишеней плазмой проводили при комнатной начальной температуре и с подогревом до 200 и 300°C. В результате плазменного воздействия появлялись большие и мелкие трещины. Большое количество повторяющихся плазменных нагрузок ниже порога плавления привело к явной деградации термомеханических свойств поврежденных приповерхностных слоев вольфрама. Представлен сравнительный анализ распространения трещин в объем для W- и WTa5-образцов

Diagnostics of plasma streams and plasma-surface interaction of essentially different duration of plasma pulses

Studies of main characteristics of the plasma streams generated by magneto-plasma compressor (MPC) and quasi-stationary plasma accelerator QSPA Kh-50 have been performed. Main features of Plasma Surface Interaction (PSI) have been researched in dependence on plasma heat loads, plasma density and pulses duration. QSPA Kh-50 creates long pulse plasma streams (pulse length of 0.25 ms) with heat load on exposed surfaces of (0.45…0.75) MJ/m² . The MPC generates short (duration of 10…20 μs) compressed plasma streams with plasma density up to 10¹⁸ cm⁻³ , and plasma energy density of (0.05…0.5) MJ/m² . Performed studies of plasma-surface interaction include measurements of plasma energy deposited to the material surface as a function of the impacting energy and kind of targets. Temporal and spatial dependencies of electron density and temperature have been found. Special attention was paid to the dynamics of the spectral lines near surfaces of exposed targets.Изучены основные характеристики плазменных потоков, генерируемых магнитоплазменным компрессором (МПК) и квазистационарным плазменным ускорителем КСПУ Х-50. Исследованы основные особенности плазмоповерхностного взаимодействия в зависимости от тепловой плазменной нагрузки, плотности и длительности импульса. КСПУ Х-50 генерирует длинноимпульсные плазменные потоки (длительность импульса 0,25 мс) с тепловой нагрузкой на облучаемую мишень (0,45…0,75) MДж/м² . МПК генерирует короткие (длительность 10...20 мкс) компрессионные плазменные потоки плотностью плазмы до 10¹⁸ см⁻³ и плотностью энергии в диапазоне (0,05…0,5) MДж/м² . Представленные исследования плазмо- поверхностного взаимодействия включали измерения энергии, достигающей поверхность материала, как функцию энергии плазмы и сорта материала. Получены временные и пространственные распределения электронной плотности плазмы. Особое внимание уделялось динамике спектральных линий около поверхности облучённых мишеней.Вивчені основні характеристики плазмових потоків, що генеруються магнітоплазмовим компресором (МПК) та квазістаціонарним плазмовим прискорювачем КСПП Х-50. Досліджено основні особливості плазмовоповерхневої взаємодії в залежності від теплового навантаження, густини та тривалості імпульсу. КСПП Х-50 генерує довгоімпульсні плазмові потоки (довжина імпульсу 0,25 мс) з тепловим навантаженням на опромінену мішень (0,45…0,75) MДж/м² . МПК генерує короткі (тривалість 10...20 мкс) компресійні плазмові потоки з густиною плазми, що сягає 10¹⁸ см⁻³, та густиною енергії в діапазоні (0,05…0,5) MДж/м² . Представлені дослідження плазмовоповерхневої взаємодії включали вимірювання енергії плазми, що досягає поверхні матеріалу, як функція енергії плазмі та сорту матеріалу. Отримано часові та просторові розподіли електронної густини плазми. Особлива увага приділялась динаміці спектральних ліній біля поверхні опромінених мішеней

Search for rare Phi decays in pi+ pi_ gamma final state

A search for phi radiative decays has been performed using a data sample of about 2.0 million phi decays collected by the CMD-2 detector at VEPP-2M collider in Novosibirsk. From the selected e+ e- -> pi+ pi- gamma events the following results were obtained: B(phi -> f0(980) gamma) < 1x10-4 for destructive and B(phi -> f0(980) gamma) < 7x10-4 for constructive interference with the Bremsstrahlung process respectively, B(phi -> gamma -> pi+ pi- gamma) 20 MeV, B(phi -> rho gamma) < 7x10-4. From the selected e+ e- -> mu+ mu- gamma events B(phi -> mu+ mu- gamma) = (2.3+-1.0)x10-5 has been obtained for E of gamma> 20 MeV. The upper limit on the P,CP-violating decay eta -> pi+ pi- has also been placed: B(eta -> pi+ pi-) < 9x10-4 . All upper limits are at 90 % C.L.Comment: 18 pages, 7 figure