Characteristics of the plasma created by ECR plasma source for thin films deposition

The construction of planar ECR plasma source with multipolar magnetic field is described and the distribution of plasma parameters is measured. Plasma density and electron temperature at the distance 2,5 cm from the magnet surface achieve 5×10¹⁰ сm⁻³ and 22,5 eV accordingly and they linearly decreased with the moving off from ECR zone. The possibility of homogeneous and dense films deposition for both pure metals and alloys is shown.В роботі розглянута конструкція планарного ЕЦР плазмового джерела з мультипольним магнітним полем та виміряно розподіл параметрів створюваної плазми. На відстані 2,5 см від поверхні магнітів густина плазми та електронна температура 5 *10¹⁰ см⁻³ та 22,5 еВ відповідно, які лінійно зменшуються при віддаленні від ЕЦР зони. Показана можливість нанесення однорідних та щільних плівок, як чистих металів, так і сплавів.В работе описана конструкция планарного ЭЦР плазменного источника с мультипольным магнитным полем и измерены распределения параметров создаваемой плазмы. На расстоянии 2,5 см от поверхности магнитов плотность плазмы и электронная температура 5*10¹⁰ см⁻³ и 22,5 еВ соответственно, которые линейно спадают при удалении от ЭЦР зоны. Показана возможность напыления однородных и плотных пленок, как чистых металлов, так и сплавов

Сharacterization of ARC-PVD ZrN nanostructured coatings by using the fractals theory

Nanostructured ZrN coatings for hardening of a thin-walled cutting tools operating under cyclic loads conditions have been obtained and investigated. The structure and mechanical properties of nanocoatings have been examined. It was revealed that the ZrN coating improved the properties of thin-walled cutting tools. ZrN surface morphology was theoretically substantiated with the application of the fractals theory.Отримано та досліджено наноструктуровані покриття ZrN для зміцнення тонкостінних ріжучих інструментів, що працюють в умовах циклічних навантажень. Досліджено структуру та механічні властивості нанопокриттів. Виявлено, що покриття ZrN покращує властивості тонкостінних ріжучих інструментів. Морфологія поверхні ZrN теоретично обґрунтована із застосуванням теорії фракталів

Surface modification and droplet formation under exposures of tungsten coatings with ELM-like transient loads

Features of surface modification of tungsten coatings after repetitive irradiation with QSPA Kh-50 plasma pulses are presented. Cracking, development of tungsten surface morphology and emission of droplets are studied. Targets were made from samples of steel covered by tungsten coatings of different thickness (4, 12, 40 μm). Pre-coated targets were irradiated with powerful plasma streams of heat fluxes relevant to ELMs in ITER. Mechanisms of modification and damaging of tungsten coatings under irradiation with powerful plasma streams are discussed.Представлены особенности модификации поверхности вольфрамовых покрытий после повторяющихся плазменных тепловых нагрузок КСПУ Х-50. Исследовано развитие трещин, изменения в морфологии поверхности вольфрамовых покрытий и инжекция капель. Мишени были сделаны из образцов стали с нанесенными вольфрамовыми покрытиями различной толщины (4, 12, 40 мкм). Подготовленные мишени облучались мощными тепловыми потоками плазмы, соответствующими ELM в ИТЭР. Особое внимание уделено исследованиям повреждений вольфрамового покрытия в качестве материала для поверхностей дивертора и первой стенки камеры реактора термоядерного синтеза. Обсуждаются механизмы модификации и повреждения вольфрамовых покрытий при облучении мощными потоками плазмы.Представлені особливості модифікації поверхні вольфрамових покриттів після повторюваних плазмових теплових навантажень КСПП Х-50. Досліджено розвиток тріщин, зміни в морфології поверхні вольфрамових покриттів і інжекція крапель. Мішені були зроблені із зразків сталі, на яку нанесені вольфрамові покриття різної товщини (4, 12, 40 мкм). Підготовлені мішені опромінювалися потужними тепловими потоками плазми, відповідними до ELMам в ІТЕР. Особливу увагу приділено дослідженням пошкоджень вольфрамового покриття в якості основного матеріалу для поверхонь дивертора і першої стінки камери реактора термоядерного синтезу. Обговорюються механізми модифікації та пошкодження вольфрамових покриттів при опроміненні потужними потоками плазми

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

Application of pulsed plasma streams for materials alloying and coatings modification

Results of pulsed plasma streams processing of material surfaces with previously deposited FeB and TiAlN coatings are presented. Under the plasma treatment intensive mixing the materials of coating with the material of substrate was achieved. In the first case this provided boronizing of the modified layer with aim of corrosion properties improvement, in the second case – formation of intermediate mixed layer for subsequent deposition of the hard alloyed coatings. Materials alloying with pulsed metal-gas plasma is discussed also

Influence of plasma stream parameters in pulsed plasma gun on modification processes in exposed structural materials

This paper is focused on investigation of helium, nitrogen and krypton plasma streams generated by pulsed plasma gun (PPA). The main objection of this study is adjustment of plasma treatment regimes for different materials that allows achieving optimal thickness of modified layer with simultaneously minimal value of surface roughness. Features of materials alloying from gas and metallic plasma as a result of the plasma ions mixing with the steel substrate in liquid phase are discussed also.Проведено аналіз параметрів гелієвих, азотних і криптонових плазмових потоків, що генеруються імпульсним плазмовим прискорювачем (ІПУ). Основним завданням цих досліджень є оптимізація режимів плазмової обробки різних матеріалів. Така оптимізація дозволяє домогтися однорідної товщини модифікованого шару та мінімального значення шорсткості поверхні. Також обговорюються особливості легування матеріалів в результаті перемішування в рідкій фазі тонкої поверхневої плівки з матеріалом.Анализируются параметры гелиевых, азотных и криптоновых плазменных потоков, генерируемых импульсным плазменным ускорителем (ИПУ). Основной задачей данных исследований является оптимизация режимов плазменной обработки различных материалов. Такая оптимизация позволяет добиться однородной толщины модифицированного слоя и минимального значения шероховатости поверхности. Также обсуждаются особенности легирования материалов в результате перемешивания в жидкой фазе тонкой пленки с материалом подложки

Structure evolution of tungsten coatings exposed to plasma flows under ITER ELM relevant conditions

Structure, substructure and stress parameters both on the surface and distributed by depth in the tungsten/steel coatings exposed to high energy hydrogen plasma fluxes were studied by X-ray diffraction methods. The hydrogen plasma exposure results in the following recrystallization processes in the thin surface layer of the coating: appearing the texture axis [100] normal to the surface; increasing the coherence length from 60 nm in the initial state to 80 nm after the plasma exposure; completely annealed micro-strains; and dislocation density lowered twice in the exposed surface layer - all these facts confirm the thermal character of the hydrogen plasma influence. No structure variations were observed already at the depth near 1 m of the coating.Методами рентгеновской дифракции изучено изменение параметров структуры, субструктуры и напряжённого состояния на поверхности и по глубине покрытий вольфрам/сталь после облучения потоком водородной плазмы. Облучение плазмой приводит к рекристаллизационным процессам в тонком поверхностном слое покрытия: появлению текстуры [100] по нормали к поверхности, увеличению областей когерентного рассеяния от 60 нм в исходном состоянии до 80 нм после облучения, полному отжигу микронапряжений, а также уменьшению в два раза плотности дислокаций. Это подтверждает термический характер воздействия водородной плазмы. Уже на глубине около 1 мкм в покрытии никаких структурных изменений не выявлено.Методами рентгенівської дифракції вивчено змінення параметрів структури, субструктури та напруженого стану на поверхні та по глибині покриттів вольфрам/сталь після опромінення потоком водневої плазми. Опромінення плазмою призводить до рекристалізаційних процесів у тонкому поверхневому шарі покриття: виникненню текстури [100] по нормалі до поверхні, збільшенню областей когерентного розсіювання від 60 нм у початковому стані до 80 нм після опромінення, повному відпалу мікронапружень, а також зменшенню у двічі густини дислокацій. Це підтверджує термічний характер впливу водневої плазми. Вже на глибині біля 1 мкм у покритті ніяких структурних змін не виявлено

Influence of longitudinal magnetic field in the MPC channel on the density of generated plasma stream

The paper is devoted to experimental measurements and analysis of parameters of the plasma streams generated by magnetoplasma compressor (MPC) upgraded with an external axial magnetic field. Influence of the external axial magnetic field of 0.24 T on helium plasma streams (P=2 Torr) has been studied. The measurements of average electron density distributions were performedboth with and without an external axial B-field. Distributions of plasma electron density Ne (L) were measured with spectroscopy in the plasma stream and in the compression zone using Stark broadening of He I and He II spectral lines. Plasma-surface interaction processes were also analyzed.Представлено експериментальні вимірювання та аналіз параметрів плазмових потоків, що генеруються магнітоплазмовим компресором (МПК), який було оснащено зовнішнім магнітним полем. Вивчено вплив зовнішнього магнітного поля 0,24 Тл на потоки гелієвої плазми (Р=2 Торр). Представлено просторові розподіли електронної густини плазми як із зовнішнім магнітним полем, так і без нього. Розподіли електронної густини плазми Ne (L) отримано зі штарківського розширення спектральних ліній He I та He II. Також представлені вимірювання розподілів Ne (L) при налітанні пламового потоку МПК на сталеву мішень.Представлены экспериментальные измерения и анализ параметров плазменных потоков, генерируемых магнитоплазменным компрессором (МПК), который был оснащен внешним магнитным полем. Изучено влияние внешнего магнитного поля 0,24 Тл на потоки гелиевой плазмы (P=2 Торр). Представлены пространственные распределения электронной плотности плазмы как с внешним магнитным полем, так и без него. Распределения электронной плотности плазмы Ne (L) получены из штарковского уширения спектральных линий He I и He II. Также привeдены измерения распределений Ne (L) при налетании плазменного потока МПК на мишень из нержавеющей стали

Alloying and modification of stainless steels by powerful plasma streams

The stainless steel surfaces coated of tungsten have been alloyed and modified with powerful QSPA Kh-50 plasma streams. The plasma streams exposures result in modification of steel-based materials and formation of resolidified layers. The changes of substrate texture were also registered. Phase characterized by body-centered cubic lattice appeared due to recrystallization of affected material. Thus, the favorable conditions were created for penetration of tungsten into the stainless steel bulk. Growth of lattice parameter was observed as result of plasma irradiation of coated samples. It's indication of tungsten penetration into the depth of substrates.Поверхности из нержавеющей стали с покрытием из вольфрама были легированы и модифицированы мощными плазменными потоками в КСПУ Х-50. Облучение потоком плазмы приводит к модификации материалов на основе сталей и формирование повторно затвердевшего слоя. Изменения текстуры подложки были также зарегистрированы. Фаза, которая характеризуется объёмно центрированной кубической решёткой, появилась вследствие рекристаллизации облучённого материала. Таким образом, были созданы необходимые условия для проникновения вольфрама в нержавеющую сталь. Рост параметра решётки наблюдался в результате плазменного облучения образцов с покрытием. Это указывает на проникновение вольфрама в глубину субстратов.Поверхні з нержавіючої сталі з покриттям з вольфраму були леговані і модифіковані потужними плазмовими потоками в КСПП Х-50. Опромінення потоком плазми призводить до модифікації матеріалів на основі сталей і формування повторно затверділого шару. Зміни текстури підкладки були також зареєстровані. Фаза, яка характеризується об'ємно центрованою кубічною решіткою, з'явилася внаслідок рекристалізації опроміненого матеріалу. Таким чином, були створені необхідні умови для проникнення вольфраму в нержавіючу сталь. Зростання параметра решітки спостерігався в результаті плазмового опромінення зразків з покриттям. Це вказує на проникнення вольфраму в глибину субстратів

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