Azimuthal surface waves in toroidal magnetic traps

Extraordinary polarized electromagnetic surface waves are known to propagate with zero axial wave number (kz=0) along the small azimuth j nearby the interface of a cold uniform plasma located in cylindrical metal chambers and immersed into axial steady magnetic field B0z [1]. These waves are called as azimuthal surface waves (ASW). ASW are shown to be eigen modes of toroidal plasmas. Their dispersion properties are examined with taking into account numerous peculiarities of plasma in toroidal traps: a magnitude of the external toroidal magnetic field, a thickness of the vacuum layer between plasma and metal chamber, a small radius of plasma, toroidal and ripple variations in steady magnetic field, a deviation of plasma-vacuum and vacuum–metal cross-sections’ shapes from a circle, a presence of the poloidal component of the confining magnetic field, a non-uniformity of the density radial profile, etc. ASW with frequencies over the electron cyclotron frequency |we| are shown to be absorbed within the local resonance region, ε₁(r₀)= 0, where ε1 is the diagonal element of the plasma dielectric tensor. Possibility is shown of additional heating of a radially inhomogeneous plasma in small toroidal devices with a rippled magnetic field via the absorption of satellite harmonics of the ASW with frequencies below |we| within the local resonance region, ε₁(r₁) = [2πc/(ωL)]², where L is the ripple period.Показано, що незвичайно поляризовані електромагнітні хвилі можуть поширюватися з нульовим тороїдним хвильовим числом уздовж малого азимута поблизу поверхні плазми у тороїдній металевій камері з магнітним полем. Їхні дисперсійні властивості досліджено з урахуванням численних особливостей плазми тороїдних пасток. Особливу увагу приділено поглинанню цих хвиль у плазмі з радіально-неоднорідним профілем густини.Показано, что необыкновенно поляризованные электромагнитные волны могут распространяться с нулевым тороидальным волновым числом вдоль малого азимута вблизи поверхности плазмы в тороидальной металлической камере с магнитным полем. Их дисперсионные свойства исследованы с учетом многочисленных особенностей плазмы тороидальных ловушек. Особое внимание уделено поглощению этих волн в плазме с радиально- неоднородным профилем плотности

Coupled HF azimuthal waves in magnetoactive waveguide partially filled by current-carrying plasma

Coupled surface extraordinarily polarized waves and bulk ordinarily polarized waves are proved to propagate along azimuthal direction in the cylindrical metal waveguide that is partially filled by cold magneto-active plasma in the frequency range above upper hybrid resonance. Their interaction and linear conversion is investigated under the condition of an external magnetic field with both axial and azimuthal components application.Показано, что связанные поверхностные необыкновенно поляризованные волны и объемные обыкновенно поляризованные волны могут распространяться в азимутальном направлении в цилиндрическом металлическом волноводе, который частично заполнен холодной магнитоактивной плазмой в частотном диапазоне выше верхнего гибридного резонанса. Их взаимодействие и линейная конверсия исследованы в условиях приложения внешнего магнитного поля с аксиальной, а также азимутальной составляющими.Показано, що зв’язані поверхневі незвичайно поляризовані хвилі та об’ємні звичайно поляризовані хвилі можуть поширюватись в азимутальному напрямку в циліндричному металевому хвилеводі, який частково заповнено холодною магнітоактивною плазмою в частотному діапазоні вище верхнього гібридного резонансу. Їхні взаємодія та лінійна конверсія досліджені за умов прикладення зовнішнього магнітного поля з аксіальною, а також азимутальною складовими

Exposure of tungsten surface to high-flux of helium and argon ions

Present work investigates the erosion yields of tungsten exposed to intense beams of He and Ar ions using weight-loss measurements. The ion beams were generated by FALCON ion source, typical particle fluxes were in the range of (0.4…1.0)×10²²m⁻²•s⁻¹ and the heat fluxes were 0.3…0.8 MW∙m⁻². Investigations show that the erosion yield for He ions is in line with simulations and experimental literature data on physical sputtering, while for Ar bombardment one has observed lower erosion yields. The morphology of the surface has also been studied with SEM.Исследуются коэффициенты эрозии вольфрама, измеренные с помощью метода потери веса. Образцы облучались интенсивными пучками ионов Не и Ar. Ионные пучки генерировались ионным источником FALCON, при этом плотность потока ионов составляла (0,4…1,0)×10²² м⁻²•с⁻¹, а тепловой поток на поверхность составлял 0,3…0,8 MВт∙м⁻². Исследования показали, что эрозия вольфрама под воздействием ионов Не соответствует результатам экспериментов и литературным данным по физическому распылению, в то время как при бомбардировке ионами Ar коэффициенты эрозии ниже.Досліджено коефіцієнти ерозії вольфраму, виміряні за допомогою методу втрати маси. Зразки опромінювались інтенсивними пучками іонів He та Ar. Іонні пучки з густиною потоку іонів (0,4…1,0)×10²² м⁻²•с⁻¹, та тепловими потоками 0,3…0,8 MВт∙м⁻² генерувались джерелом іонів FALCON. Дослідження показали, що ерозія вольфраму під дією іонів He узгоджується з результатами інших експериментів та літературними даними з фізичного розпилення. За умови бомбардування іонами Ar здобуті коефіцієнти ерозії виявились меншими за очікувані майже вдвічі. Морфологію опромінених поверхонь було досліджено за допомогою РЕМ

Control of planar magnetron sputtering system operating modes by additional anode magnetic field

The control of planar magnetron sputtering system operating modes by additional anode magnetic field was investigated. It was shown that additional anode magnetic field substantially affects to planar magnetron-sputtering system (MSS) balancing and allows adjusting the electron fluxes intensity to the operating surface. It was experimentally shown that the magnetic field intensity increasing stabilizes the low-current discharge. The magnetic field intensity increasing prevents the discharge extinction by the ignition of semi-self-maintained magnetron-type discharge in transverse anode magnetic field

Mass-separation of impurities in the ion beam systems with reversed magnetic beam focusing

This paper describes the intrinsic capability of ion systems with reversed magnetic beam focusing for impurities mass-separation. Numerical calculation of the ion trajectory deviation with taking into account the experimental ion energy distribution function for hydrogen-oxygen gas mixture was carried out. It is demonstrated that O⁺ impurities which are present in the beam are separated and form the circle with a diameter of ≈6 mm. Therefore, the central part of the spot is free of impurities due to magnetic separation. As a result, the source generates steady-state hydrogen ion beam, which irradiates the surface with high heat and particle fluxes, which approach the upper limit for the flux range expected in a fusion reactor.Исследованы особенности масс-сепарации примесей в ионно-пучковых системах с реверсивной магнитной фокусировкой пучка. Численно рассчитаны отклонения траекторий ионов с учетом экспериментально измеренной функции распределения энергии ионов для водородно-кислородной газовой смеси. Показано, что примеси О⁺ в пучке сепарируются и формируют кольцо диаметром ≈ 6 мм. Таким образом, центральная часть пучка чиста от примесей вследствие магнитной сепарации. В результате источник генерирует стационарные мощные потоки тепла и ионов водорода, которые близки по своим параметрам к потокам, ожидаемым на материалы стенки термоядерного реактора.Досліджено можливість мас-сепарації домішок в іонно-пучкових системах з реверсивним магнітним фокусуванням пучка. Чисельно розраховано відхилення траєкторій іонів з урахуванням експериментально зміненої функції розподілу енергії іонів для воднево-кисневої газової суміші. Показано, що домішки О⁺ в пучку сепаруються та формують кільце діаметром ≈ 6 мм. Таким чином, центральна частина пучка є чистою від домішок унаслідок магнітної сепарації. В результаті джерело генерує стаціонарні потужні потоки тепла і іонів водню, які близькі за своїми параметрами до потоків, очікуваних на матеріали стінки термоядерного реактора

Phase states of macroparticles under interaction of keV ion beam with dusty plasma

Peculiarities of the keV-energy charge-compensated ion beam interaction with dusty plasma macroparticles are studied theoretically in this paper. Negative potential of the dusty plasma macroparticles makes conditions for their capture into the core of ion beam and their efficient interaction with beam ions. Heat and mass balances of the macroparticles in ion-beam system are considered. It is shown that it takes several milliseconds for the temperature of macroparticles to reach the boiling temperature under the intensive keV ion beam bombardment. Decreasing of the macroparticles mass is associated with both sputtering by the ion beam and evaporating after reaching the boiling temperature.Теоретически исследованы особенности взаимодействия компенсированного по заряду ионного пучка средних энергий с макрочастицами пылевой плазмы. Отрицательный потенциал макрочастиц создает условия для захвата пылевых частиц в остов ионного пучка, который обычно имеет положительный потенциал, и эффективного взаимодействия с ионным пучком. Рассмотрены тепловой и массовый балансы макрочастиц в ионно-плазменной системе. Показано, что при облучении пылевой плазмы интенсивными пучками ионов средних энергий за времена порядка десятка миллисекунд температура макрочастиц достигает температуры кипения. Уменьшение массы макрочастиц связано как с распылением ионным пучком, так и с испарением после достижения температуры кипения.Теоретично досліджено особливості взаємодії компенсованого за зарядом іонного пучка середніх енергій з макрочастинками пилової плазми. Від’ємний потенціал макрочастинок створює умови для захоплення пилових частинок до остову іонного пучка, який зазвичай має позитивний потенціал, та ефективної взаємодії з іонним пучком. Розглянуто тепловий та масовий баланси макрочастинок в іонно-плазмовій системі. Показано, що при опроміненні пилової плазми інтенсивними пучками іонів середніх енергій за інтервали часу порядку десятка мілісекунд температура макрочастинок сягає температури кипіння. Зменшення маси макрочастинок пов'язано як з розпиленням іонним пучком, так і з випаровуванням за температури кипіння

Ion beam system for nanotrimming of functional microelectronics layers

This paper concerns with investigation of the trimming process which uses ion beam etching for high-precision adjustment of the thickness of functional microelectronics layers. The layer deposited on the substrate is etched by scanning focused ion beam; its position and power is regulated according to the topography of layer non-uniformity. The trimming allows to create pre-defined topography of the non-uniformity with accuracy down to 4 Å and decrease the roughness of the surface.Досліджено процес коригувального іонно-променевого травлення для регулювання з високою точністю товщини функціональних шарів мікроелектроніки. Функціональний шар на підкладці витравлюється скануючим сфокусованим іонним пучком, локалізація та потужність якого відповідають топографії неоднорідності товщини функціонального шару. Показана можливість регулювання розподілу товщини плівок по поверхні підкладок до +/-4 Å та зменшення шорсткості поверхні.Исследован процесс корректирующего ионно-лучевого травления для регулировки с высокой точностью толщины функциональных слоев микроэлектроники. Функциональный слой на подложке травится сканирующим сфокусированным ионным пучком, локализация и мощность которого соответствуют топографии неоднородности толщины функционального слоя. Показана возможность регулировки распределения толщины пленок по поверхности подложек до +/-4 Å и уменьшения шероховатости поверхности

Erosion features of tungsten surfaces under combined steady-state and transient plasma loads

The paper presents the experimental research on damage of the tungsten surfaces under combined plasma exposures. Steady-state hydrogen exposures (particle flux of 2×10²² m⁻²s⁻¹ , heat flux of 1.7 MW/m² , fluence of 1026 m⁻² , average ion energy of 2 keV) were provided by FALCON ion source. The pulsed plasma loads below the tungsten melting threshold (hydrogen plasma streams with surface heat load of 0.45 MJ/m² and the pulse duration of 0.25 ms) were performed by means of QSPA Kh-50 device. The behavior of structure, sub- structure and stress-state of tungsten samples have been studied after each cycle of pulsed and steady-state plasma loads.Представлено экспериментальное исследование повреждения вольфрамовых поверхностей, подверженных комбинированному плазменному воздействию. Стационарные водородные ионные потоки (поток частиц 2×10²² м⁻² с⁻¹ , тепловой поток 1,7 МВт м⁻² , флюенс 1026 ·м⁻² , средняя энергия ионов 2 кэВ) получены с помощью источника ионов FALCON. Импульсные плазменные нагрузки ниже порога плавления вольфрама (потоки водородной плазмы с удельной энергией 0,45 МДж·м⁻² и длительностью импульса 0,25 мс) создавались на КСПУ Х-50. Изучено изменение структуры, субструктуры и напряженно- деформированного состояния вольфрамовых образцов под влиянием многоцикличных плазменных нагрузок.Представлено експериментальне дослідження пошкодження вольфрамових поверхонь під дією комбінованого плазмовому впливу. Стаціонарні водневі іонні потоки (потік частинок 2×10²² м⁻² с⁻¹, тепловий потік 1,7 МВт·м⁻² , флюенс 1026 м⁻² , середня енергія іонів 2 кеВ) отримані за допомогою джерела іонів FALCON. Імпульсні плазмові навантаження нижче порога плавлення вольфраму (потоки водневої плазми з питомою енергією 0,45 МДж·м⁻² і тривалістю імпульсу 0,25 мс) створювалися на КСПП Х-50. Вивчено зміну структури, субструктури і напружено-деформованого стану вольфрамових зразків під впливом багатоциклічних плазмових навантажень

Combined exposures of tungsten by stationary and transient hydrogen plasma heat loads: preliminary results

Influence of combined hydrogen plasma exposures on tungsten behavior was studied in QSPA Kh-50 facility and steady-state ion beam system FALCON. Pulsed plasma loads (0.45 MJ/m²) were below the tungsten melting threshold. The influence of addition steady-state heat flux (of 0.43 MW/m² during 900 s) on development of surface damage in tungsten targets was studied. Evolution of residual stresses and lattice spacing were investigated. For combined irradiation faster relaxation of residual stresses occurred. The damage of exposed surface was caused by physical spattering and cracks appearing.Влияние комбинированных водородных плазменных экспозиций на поведение вольфрама изучено в КСПУ Х-50 и ионно-лучевой системе FALCON. Импульсные нагрузки (0.45 MДж/м²) были ниже порога плавления вольфрама. Было изучено влияние дополнительных стационарных тепловых нагрузок (0,43 MВт/м² в течение 900 с) на развитие поверхностных повреждений в вольфрамовых образцах. Развитие остаточных напряжений и параметра решетки было изучено для различных видов плазменного облучения. При комбинированном облучении зарегистрирована быстрая релаксация остаточных напряжений. Повреждения облученных поверхностей обусловлены физическим распылением и появлением трещин.Вплив комбінованих водневих плазмових експозицій на поведінку вольфраму вивчено в КСПП Х-50 и іонно-променевій системі FALCON. Імпульсні навантаження (0.45 MДж/м²) були нижче порогу плавлення вольфраму. Було вивчено вплив додаткових стаціонарних теплових навантажень (0,43 MВт/м² протягом 900 с) на розвиток поверхневих пошкоджень у вольфрамових зразках. Розвиток залишкових напружень і параметра решітки було вивчено для різних видів плазмового опромінення. При комбінованому опроміненні зареєстровано швидку релаксацію залишкових напружень. Пошкодження опромінених поверхонь обумовлені фізичним розпорошенням і появою тріщин