Preparation of facilities for fundamental research with ultracold neutrons at PNPI

The WWR-M reactor of PNPI offers a unique opportunity to prepare a source for ultracold neutrons (UCN) in an environment of high neutron flux (about 3*10^12 n/cm^2/s) at still acceptable radiation heat release (about 4*10^-3 W/g). It can be realized within the reactor thermal column situated close to the reactor core. With its large diameter of 1 m, this channel allows to install a 15 cm thick bismuth shielding, a graphite premoderator (300 dm^3 at 20 K), and a superfluid helium converter (35 dm^3). At a temperature of 1.2 K it is possible to remove the heat release power of about 20 W. Using the 4pi flux of cold neutrons within the reactor column can bring more than a factor 100 of cold neutron flux incident on the superfluid helium with respect to the present cold neutron beam conditions at the ILL reactor. The storage lifetime for UCN in superfluid He at 1.2 K is about 30 s, which is sufficient when feeding experiments requiring a similar filling time. The calculated density of UCN with energy between 50 neV and 250 neV in an experimental volume of 40 liters is about 10^4 n/cm^3. Technical solutions for realization of the project are discussed.Comment: 10 pages, more detail

Non-destructive control of PVD coating surface defects

Nanostructured ZrN coatings were deposited by the vacuum arc method with partial separation of the plasma flow from macroparticles using a curvilinear magnetic filter. With the proposed deposition parameters, a ZrN coating with an fcc lattice and (111) texture is formed. Theoretical studies are carried out to assess the defects of the surface layer in the presence of an adsorbed impurity of an fcc lattice with the surface orientation plane (111), and the characteristics of surface waves in the ZrN coating are considered. Equations are obtained for the dispersion laws and parameters of the splitting off of the surface wave from the zone of bulk vibrations in the nearest-neighbor approximation.Розглянуто параметри осадження наноструктурного покриття ZrN вакуумно-дуговим методом із частковою сепарацією плазмового потоку від макрочасток за допомогою криволінійного магнітного фільтра. При запропонованих параметрах нанесення формується покриття ZrN з ГЦК-ґратками та орієнтаційною площиною поверхні (111). Виконано теоретичні дослідження для оцінки дефектності поверхневого шару в вигляді адсорбованих домішок та розглянуто характеристики поверхневих хвиль у покритті ZrN. Отримано вирази для законів дисперсії та параметрів відщеплення поверхневої хвилі від зони об'ємних коливань при врахуванні найближчих сусідів

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

Spectroscopic investigation of PF-1000 discharges under different experimental conditions

The emission from free-propagating plasma streams was studied in experiments with a 1-MJ plasma-focus PF-1000 facility operated at the IPPLM in Warsaw, Poland. The machine was filled up with a pure deuterium or a mixture of deuterium and argon. Optical spectra were recorded at a distance of 30 cm from the electrodes, at different experimental conditions, i.e. initial pressures, charging voltages and acquisition times, in the wavelength range of 350…1000 nm. The most intense lines originated from the applied working gases. In some cases distinct CuI and FeI lines resulted from the electrodes and the insulator were observed. From the Balmer lines, Dβ and Dγ, an electron density as a function of time was estimated. The application of this finding made it possible to perform some experiments concerning spectroscopic research on the interaction of free-propagating plasma streams with tungsten targets. In the recorded spectra some WI and WII lines were identified, but the resolution of the spectrometer was not good enough for their quantitative analysis.Исследовано излучение свободно распространяющихся плазменных потоков, генерируемых мегаджоульным плазменным фокусом ПФ-1000 (ИФПЛМ, Варшава, Польша). В качестве рабочего газа использовался чистый дейтерий и смесь дейтерия с аргоном. Оптические спектры в диапазоне 350...1000 нм регистрировались на расстоянии 30 см от электродов при вариации экспериментальных условий (начального давления, напряжения и времени обработки). Наиболее интенсивными спектральными линиями, зарегистрированными в экспериментальных спектрах, являются линии рабочего газа. В некоторых случаях наблюдались также линии примесных элементов: CuI – материала электродов и FeI – изолятора. Временная зависимость электронной плотности плазмы оценивалась из уширения бальмеровских линий Dβ и Dγ. Представлены также результаты спектрального анализа процесса взаимодействия плазменных потоков с вольфрамом. Идентифицированы спектральные линии WI и WII, однако разрешение спектрометра не позволило провести количественный анализ.Досліджено випромінювання плазмових потоків, що генеруються мегаджоульним плазмовим фокусом ПФ-1000 (ІФПЛМ, Варшава, Польща). В якості робочого газу використовувався чистий дейтерій і суміш дейтерію з аргоном. Оптичні спектри в діапазоні 350...1000 нм реєструвалися на відстані 30 см від електродів при варіації експериментальних умов (початкового тиску, напруги і часу обробки). Найбільш інтенсивними спектральними лініями, зареєстрованими в експериментальних спектрах, є лінії робочого газу. У деяких випадках спостерігались також лінії домішкових елементів: CuI – матеріалу електродів і FeI – ізолятора. Часова залежність електронної густини плазми оцінювалась з розширення бальмерівських ліній Dβ та Dγ. Представлено також результати спектрального аналізу процесу взаємодії плазмових потоків з вольфрамом. Ідентифіковано спектральні лінії WI і WII, проте роздільність спектрометра не дозволила провести кількісний аналіз

Characteristics of plasma streams and optimization of operational regimes for magnetoplasma compressor

The main objective of these studies is characterization of dense xenon plasma streams generated by magnetoplasma compressor (MPC) in different operational regimes. Optimization of plasma compression in MPC allows increase of the plasma stream pressure up to 22…25 bar, average temperature of electrons of 10…20 eV and plasma stream velocity varied in the range of (2…9)×10⁶ cm/s depending on operation regime. Spectroscopy measurements demonstrate that in these conditions most of Xe spectral lines are reabsorbed. In the case of known optical thickness, the real value of electron density can be calculated with accounting self-absorption. Estimations of optical thickness were performed and resulting electron density in focus region was evaluated as 10¹⁸ cm⁻³. Remove selectedПроведено експерименти з оптимізації режимів роботи МПК та виміряно параметри плазмових потоків при роботі на ксеноні. Проаналізовано розподіли тиску в плазмовому потоці, швидкість та температура плазми. Спектроскопічні вимірювання показали, що більшість спектральних ліній ксенону самопоглинені. У випадку відомої оптичної товщини, реальна електронна густина може бути обчислена з урахуванням ефекту самопоглинання. Були проведені оцінки оптичної товщини, в результаті чого розрахована величина концентрації електронів в області компресії – 10¹⁸ см⁻³.Проведены эксперименты по оптимизации режимов работы МПК, измерены параметры плазменных потоков при работе на ксеноне. Проанализированы распределения давления в плазменном потоке, скорость и температура плазмы. Спектроскопические измерения показали, что большинство спектральных линий ксенона самопоглощены. В случае известной оптической толщины реальная электронная плотность может быть вычислена с учетом эффекта самопоглощения. Проведены оценки оптической толщины, в результате чего рассчитано значение концентрации электронов в области компрессии – 10¹⁸ см⁻³

Investigation of helium plasma stream parameters in experiments on surface modification

Processing of different constructional materials with pulsed plasma streams is one of prospective methods of surface modification. 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. With use of optical spectroscopy, detailed information about the basic plasma parameters – electron density, electron and ion temperatures, plasma stream duration and velocity, was obtained. Integrated spectra of plasma radiation were analyzed. The majority of helium and impurity spectral lines were investigated on a subject of Stark broadening. Plasma pressure and energy density values measured with piezodetectors and calorimeters are in good agreement with plasma parameters obtained by optical techniques.Один з перспективних методів модифікації поверхні – це обробка різних конструкційніх матеріалів імпульсними плазмовими потоками. Головна ціль досліджень є оптимізація режимів плазмової обробки різних матеріалів, що одночасно дозволяє досягати оптимальної товщини модифікованого шару та мінімальної величини шорсткості поверхні. Детальна інформація про основні параметри плазми – електронна густина, електронна та іонна температури, тривалість та швидкість плазмового потоку, була отримана за допомогою оптичної діагностики. Проаналізовані інтегральні спектри випромінювання плазми. Більшість гелієвих та домішкових спектральних ліній досліджувались на предмет Штарківського розширення. П`єзодатчиками та калориметрами виміряні величини тиску та густини енергії плазми, які добре погоджуються з параметрами плазми, отриманими за допомогою оптичної діагностики.Одним из перспективных методов модификации поверхности является обработка различных конструкционных материалов импульсными плазменными потоками. Главная цель этой работы – оптимизация режимов плазменной обработки для различных материалов, что одновременно позволяет достигать максимальной толщины модифицированного слоя и минимальной величины шероховатости поверхности. Детальная информация об основных плазменных параметрах – электронная плотность, электронная и ионная температуры, длительность генерации и скорость плазменного потока, была получена с помощью оптической диагностики. Проанализированы интегральные спектры излучения плазмы. Большинство гелиевых и примесных спектральных линий исследовались на предмет Штарковского уширения. Пьезодатчиками и калориметрами измерены соответственно величины давления и плотности энергии плазмы, которые хорошо согласуются с параметрами плазмы, полученными с помощью оптической диагностики

Diagnostic system for EUV radiation measurements from dense xenon plasma generated by MPC

Magnetoplasma compressor (MPC) of compact geometry has been designed and tested as a source of EUV radiation. In present paper diagnostic system for registration of EUV radiation is described. It was applied for radiation measurements in different operation modes of MPC. The registration system was designed on the base of combination of different types of AXUV photodiodes. Possibility to minimize the influence of electrons and ions flows from dense plasma stream on AXUV detector performance and results of the measurements has been discussed.Магнітоплазмовий компресор (МПК) компактної геометрії було розроблено і випробувано у якості джерела випромінювання ВУФ. У цій роботі описана діагностична система для реєстрації ВУФ-випромінювання. Проведено вимірювання ВУФ- випромінювання в різних режимах роботи МПК. Система реєстрації побудована на основі поєднання різних типів фотодіодів AXUV. Було досліджено вплив потоку електронів та іонів з плазми на поверхню детектора, а також видимого випромінювання на результати вимірювань.Магнитоплазменный компрессор (МПК) компактной геометрии был разработан и испытан в качестве источника излучения ВУФ. В настоящей работе описана диагностическая система для регистрации излучения ВУФ. Проведены измерения ВУФ-излучения в различных режимах работы МПК. Система регистрации построена на основе сочетания различных типов фотодиодов AXUV. Было исследовано влияние потока электронов и ионов из плазмы на поверхность детектора, а также видимого излучения на результаты измерений

Compression zone formation in magnetoplasma compressor operating with heavy gases

Present work is devoted to experimental investigations of the plasma compression zone dynamics and its influence on radiation characteristics. The construction of magneto-plasma compressor (MPC) of compact geometry with conical copper electrodes is described. Comprehensive information about dynamics of compression zone formation, it position, plasma parameters and geometric dimensions was obtained using spectral diagnostics. Plasma stream density ~ 10^18cm^-3 was measured by Stark broadening of Xe spectral lines. Electron temperature 5...7 eV was estimated using the ratio of Xe lines intensities. EUV radiation intensity was detected by registration system consisting on absolutely calibrated AXUV diodes with integrated thin-films filter for different wavelength ranges and multi-layered MoSi mirrors. Spatial distributions of electrical currents has been performed also.В центре внимания экспериментальные исследования динамики формирования плазменного пинча и его влияния на излучательные характеристики плазмы. Обсуждается конструкция магнито-плазменного компрессора (МПК) компактной геометрии с коническими медными электродами. Исчерпывающая информация о динамике формирования зоны сжатия, ее локализации, плазменных параметрах и геометрических размерах получена с помощью спектральной диагностики. Электронная плотность плазмы (~10^18 см^-3) измерена по штарковскому уширению спектральных линий Xe. Электронная температура (5...7 эВ) оценивалась по отношению интенсивностей спектральных линий Xe. Регистрирующая система, состоящая из абсолютно калиброванных AXUV диодов с покрытием для различных диапазонов длин волн и многослойного MoSi-зеркала, использовалась для регистрации ВУФ-излучения плазмы. Также представлены пространственные распределения электрических токов выноса.В центрі уваги експериментальні дослідження динаміки формування плазмового пінча і його впливу на випромінювальні характеристики плазми. Обговорюється конструкція магніто-плазмового компресора (МПК) компактної геометрії з конічними мідними електродами. Вичерпна інформація про динаміку формування компресійної зони, її локалізацію, плазмові параметри та геометричні розміри отримана за допомогою спектральної діагностики. Електронна густина плазми (~10^18 см^-3) виміряна із штарківського розширення спектральних ліній Xe. Електронна температура (5...7 еВ) визначалась по відношенню інтенсивностей спектральних ліній Xe. Реєструюча система, яка складається із абсолютно каліброваних AXUV діодів з покриттям для різних діапазонів довжин хвиль та багатошарового MoSi-дзеркала, використовувалась для реєстрації ВУФ-випромінювання плазми. Також представлено просторові розподіли електричних струмів

Control of the compression zone position in plasma streams generated by MPC

This paper is devoted to the investigation of magnetohydrodynamic characteristics of plasma streams generated by a magnetoplasma compressor (MPC) and control mechanisms of a compression zone position. Nitrogen, helium, and argon were used as working gases. The measurement results of electric currents spatial distributions in the plasma streams identified that for helium (P = 10 Torr) both toroidal vortices and magnetic field displacement from the near-axis region are observed, then, the electric current direction reverses. Similar spatial structure of the electric currents was observed for helium with the initial pressure of 2 Torr. However, in this case, the electric current direction changes much earlier. The electric currents flow from 20 cm to 30 cm from the central electrode of MPC accelerating channel in the modes with nitrogen (P = 0.6 and P = 0.3 Torr). There are current vortices and a sizable magnetic field displacement at a distance of a 6 cm to 18 cm from the MPC output. The duration of a plasma stream generation is about two times less for helium than for the modes of operation with other gases.Метою статті є дослідження магнітогідродинамічних характеристик плазмових потоків, що генеруються магнітоплазмовим компресором (МПК), та механізмів керування положенням зони компресії. У якості робочих газів було використано азот, аргон та гелій. Результати вимірювання просторового розподілу електричних струмів у плазмовому потоці продемонстрували, що для гелію (Р = 10 Торр) спостерігаються як тороїдальні вихори струму, так і витіснення магнітного поля із приосьової області, з подальшою зміною напрямку протікання струму. Подібну просторову структуру електричних струмів було отримано і для гелію з початковим тиском 2 Торр. Проте, у цьому випадку, напрямок протікання струму змінюється значно раніше. У режимах роботи з азотом на залишковому газі (P = 0.6 та P = 0.3 Toрр) струми розповсюджується на відстані від 20 см до 30 см від центрального електроду прискорювального каналу МПК. Розвиваються вихори струму із подальшим витісненням магнітного із приосьової області на відстані від 6 см до 18 см від виходу МПК. Також виявлено, що для режимів роботи з гелієм час генерації плазмового потоку майже у два рази менше, порівняно з режимами роботи на інших газах.Целью этой статьи является исследование магнитогидродинамических характеристик плазменных потоков, генерируемых магнитоплазменным компрессором (МПК), и механизмов управления положением зоны компрессии. В качестве рабочих газов использовались азот, аргон и гелий. Было обнаружено, что для гелия (Р = 10 Торр) наблюдаются как тороидальные токовые вихри, так и вытеснение магнитного поля из приосевой области, с дальнейшей сменой направления протекания тока. Подобная пространственная структура электрических токов была получена и для гелия с начальным давлением 2 Торр. Однако, в этом случае, направление протекания тока меняется значительно раньше. В режимах работы с азотом при остаточном давлении (Р = 0.6 и Р = 0.3 Торр) токи распространяются на расстояния от 20 см до 30 см от центрального электрода ускорительного канала МПК. Происходит развитие токовых вихрей, с дальнейшим вытеснением магнитного поля из приосевой области на расстоянии от 6 см до 18 см от выхода МПК. Также было установлено, что для режимов работы с гелием время генерации плазменного потока почти в два раза меньше, в сравнении с режимами работы на других газах