Pulsed electromagnetic gas valves for high-current plasma accelerators

The paper describes the design features of a gas valve for the axial (parallel to the axis of the accelerator) working gas supply into the accelerator channel. The results of gas-dynamic studies of the injectors are presented. The amount of the working gas inlet was investigated as a function of gas pressure under the blocking valve element. A strong dependence of the amount of the injected working gas on the electric current value in the control coil was found.Oписуються особливості конструкції клапана газу з електромагнітним приводом запираючого елемента для осьової (паралельної осі прискорювача) подачі газу в прискорювальний канал плазмодинамічних систем. Представлено результати газодинамічних досліджень клапана. Досліджена залежність кількості робочого газу, що напускається, залежно від тиску газу під запираючим елементом клапана. Показана істотна залежність кількості робочого газу, що напускається, від величини струму в електромагнітній котушці.Oписываются особенности конструкции клапана газа с электромагнитным приводом запирающего элемента для осевой (параллельной оси ускорителя) подачи рабочего газа в ускорительный канал плазмодинамических систем. Представлены результаты газодинамических исследований клапана. Исследована зависимость количества напускаемого рабочего газа в зависимости от давления газа под запирающим элементом клапана. Показана существенная зависимость количества инжектированного рабочего газа от величины тока в электромагнитной катушке

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

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

Structural-phase changes in thin films and surface layers of Ti41.5Zr41.5Ni17 alloy, stimulated by radiation-thermal impact of hydrogen plasma

X-ray diffraction and SEM microscopy were used to study structural and phase changes in the surface layers of a Ti41.5Zr41.5Ni17 alloy bulk sample (target) and a thin film (deposited by magnetron sputtering of the target) under radiation-thermal action of pulsed hydrogen plasma with a thermal load of 0.6 MJ/m² in QSPA Kh-50 installation. It is established that the irradiation results in the formation of a two-phase state: the icosahedral quasicrystalline phase together with the phase of the 1/1 approximant crystal (W-phase). As a result of isothermal (550°C) annealing, the content of the quasicrystalline phase increases.Методами рентгенівської дифракції та SEM-мікроскопії вивчені структурні і фазові зміни в поверхневих шарах масивного зразка (мішені) сплаву Ti41.5Zr41.5Ni17 і тонкої плівки, отриманої магнетронним розпиленням мішені, при радіаційно-термічному впливі імпульсною водневою плазмою з тепловим навантаженням 0,6 MДж/м² на КСПП Х-50. Встановлено, що в результаті опромінення формується двофазний стан: ікосаедрична квазікристалічна фаза спільно з фазою кристала-апроксиманта 1/1 (W-фаза). В результаті ізотермічного (550°C) відпалу зміст квазікристалічної фази збільшується.Методами рентгеновской дифракции и SEM-микроскопии изучены структурные и фазовые изменения в поверхностных слоях массивного образца (мишени) сплава Ti41.5Zr41.5Ni17 и тонкой пленки, полученной магнетронным распылением мишени, при радиационно-термическом воздействии импульсной водородной плазмой с тепловой нагрузкой 0,6 MДж/м² на КСПУ Х-50. Установлено, что в результате облучения формируется двухфазное состояние: икосаэдрическая квазикристаллическая фаза совместно с фазой кристалла-аппроксиманта 1/1 (W-фаза). В результате изотермического (550°C) отжига содержание квазикристаллической фазы увеличивается

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

Behavior of the Ti-Zr-Ni thin film containing quasicrystalline and approximant phases under radiative-thermal action in transition modes

X-ray diffraction and SEM microscopy were used to study the structural and phase changes in a thin film obtained by magnetron sputtering of a Ti52Zr30Ni18 target (at.%) on a steel substrate under the radiation-thermal influence of pulsed hydrogen plasma on an QSPA Kh-50 accelerator. A technique has been worked out for the formation of the quasicrystalline and crystal-approximant phases as a result of high-speed quenching using pulsed action with a heat load of 0.6 MJ/m². The changes in the contents of these phases as well as in their structure and substructure parameters were studied during isothermal vacuum annealing at a temperature of 550 ℃ and also as a result of irradiation with 5 plasma pulses in the range of heat load from 0.1 to 0.4 MJ/m². The quasicrystalline phase was found to be resistant to irradiation with hydrogen plasma.Методами рентгенівської дифракції та СЄМ вивчені структурні і фазові зміни в тонкій плівці, отриманої магнетронним розпиленням мішені складу Ti52Zr30Ni18 (ат.%) на підкладці зі сталі, при радіаційнотермічному впливі імпульсної водневої плазми на прискорювачі КСПП Х-50. Відпрацьована методика формування квазікристалічної фази і фази кристала-апроксиманта в результаті швидкісного загартування за допомогою імпульсного впливу з тепловим навантаженням 0,6 MДж/м². Вивчено зміну параметрів структури і субструктури, а також вмісту зазначених фаз при ізотермічному вакуумному відпалі при температурі 550 ℃, а також в результаті опромінення 5 імпульсами плазми в інтервалі теплового навантаження від 0,1 до 0,4 МДж/м². Квазікристалічна фаза виявилася стійкою до опромінення водневою плазмою.Методами рентгеновской дифракции и СЭМ изучены структурные и фазовые изменения в тонкой пленке, полученной магнетронным распылением мишени состава Ti52Zr30Ni18 (ат.%) на подложке из стали, при радиационно-термическом воздействии импульсной водородной плазмы на ускорителе КСПУ Х-50. Отработана методика формирования квазикристаллической фазы и фазы кристалла-аппроксиманта в результате скоростной закалки с помощью импульсного воздействия с тепловой нагрузкой 0,6 MДж/м². Изучены изменение параметров структуры и субструктуры, а также содержания указанных фаз при изотермическом вакуумном отжиге при температуре 550 ℃, а также в результате облучения 5 импульсами плазмы в интервале тепловой нагрузки 0,1…0,4 МДж/м². Квазикристаллическая фаза оказалась устойчивой к облучению водородной плазмой

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

Influence of different types of hydrogen treatment on hydrogen retention and release from 12Kh18N10T steel

Hydrogen outgassing from stainless steel was investigated after sample treatment by different plasmas: VHF/RF pulse discharges during wall conditioning in the Uragan-2M torsatron, with RF pulse plasma heating regime in Uragan-2M, with steady state plasma of magnetron type discharges in DSM-1 device, with pulse plasma in the plasma accelerator QSPA Kh-50. For comparison the rate of hydrogen release from SS samples was measured after their saturation in molecular hydrogen gas at the low pressure of ~10⁻² Torr at the room temperature. The measurements of hydrogen release rate were carried out with thermal desorption method and mass-spectrometry. It was observed the significant differences in hydrogen outgassing behavior for samples treated with different hydrogen plasma. The possible reasons of distinctions in kinetics of hydrogen interaction with stainless steel are discussed.Газовиділення водню із зразків нержавіючої сталі проводилося після обробки різною плазмою: імпульсних розрядів УКХ/ВЧ під час чистки стінки в торсатроні Ураган-2М, у режимі нагріву плазми з ВЧімпульсом в Урагані-2М, у стаціонарній плазмі розрядів магнетронного типу в пристрої ДСМ-1 з імпульсною плазмою, у плазмовому прискорювачі КСПП Х-50. Крім того, для порівняння використовувалося насичення в молекулярному газоподібному водні при низькому тиску (~10⁻²Торр) та кімнатній температурі. Вимірювання швидкості виділення водню проводилися методом термічної десорбції за участю мас-спектрометрії. Спостерігалися істотні відмінності в характері виділення водню для зразків, оброблених різною водневою плазмою. Обговорюються можливі причини відмінностей в кінетиці взаємодії водню з нержавіючою сталлю.Газовыделение водорода из образцов нержавеющей стали проводилось после обработки различной плазмой: импульсных разрядов УКВ/ВЧ во время чистки стенки в торсатроне Ураган-2М, в режиме нагрева плазмы с ВЧ-импульсом в Урагане-2М, в стационарной плазме разрядов магнетронного типа в устройстве ДСМ-1 с импульсной плазмой, в плазменном ускорителе КСПУ Х-50. Кроме того, для сравнения использовалось насыщение в молекулярном газообразном водороде при низком давлении (~10⁻² Торр) и комнатной температуре. Измерения скорости выделения водорода проводились методом термической десорбции с участием масс-спектрометрии. Наблюдались существенные различия в характере выделения водорода для образцов, обработанных различной водородной плазмой. Обсуждаются возможные причины различий в кинетике взаимодействия водорода с нержавеющей сталью

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