Experimental modelling of the effects of CXA bombardment on image quality of the first mirrors in ITER

In optical methods of plasma diagnostics in large fusion devices (FD) the use of first mirrors (FM) is supposed. To make the right choice of FM material the modeling studies are needed of the degradation rates of reflectance and image transmission quality (ITQ) under sputtering in FDs. In the present paper the method is suggested and applied for evaluation of ITQ. The use of scheme with photoelectrical registration of the luminous object image allows measuring the dynamics of the change of the contrast and resolving power of mirror depending on the depth of layer eroded due to bombardment with deuterium ions. As an example, the comparative results are presented on degradation of optical properties of two Cu mirror samples with coarse-and small-grain structures.В оптичних методах діагностики на великих термоядерних установках (ТЯУ) передбачається використовувати перші дзеркала (ПДЗ). При виборі матеріалу для ПДЗ необхідні модельні дослідження деградації як коефіцієнту відображення так і якості зображення (ЯПЗ) при розпиленні в умовах ТЯУ. В даній роботі запропонована і застосована методика оцінки ЯПЗ з використанням фотоелектричної реєстрації зображення об'єкту, яка дозволяє вимірити динаміку зміни контрасту і роздільної здатності по мірі збільшення товщини розпиленого шару при бомбардуванні зразків потоками іонів дейтерієвої плазми. Як приклад наводяться результати дослідження деградації оптичних характеристик двох мідних зразків з крупною та дрібнозернистою структурами.В оптических методах диагностики на крупных термоядерных установках (ТЯУ) предполагается использовать первые зеркала (ПЗ). При выборе материала для ПЗ необходимы модельные исследования деградации, как коэффициента отражения, так и качества изображения (КПИ) при распылении в условиях ТЯУ. В данной работе предложена и применена методика оценки КПИ с использованием фотоэлектрической регистрации изображения объекта, позволяющая измерить динамику изменения контраста и разрешающей способности по мере увеличения толщины распылённого слоя при бомбардировке образцов потоками ионов дейтериевой плазмы. В качестве примера приводятся результаты исследования деградации оптических характеристик двух медных образцов с крупной и мелкозернистой структурами

Plasma Cleaning of Metallic Mirrors from Carbon-Containing Films - New Possibilities for In Situ Monitoring of the Efficiency of Wall Conditioning in Fusion Devices

The method proposed for measuring the erosion rate of the carbon film, pre-deposited on the mirror-like surface of the test metallic samples, directly during wall conditioning procedures in a fusion device. The practical realization of the method provided at the DSM-2 stand where deuterium plasma produced in conditions of electron resonance at frequency 2.45 GHz used for cleaning the samples. For controlling C-film thickness the time variation of electrical conductivity of the circuit '˜film+plasma+entire scheme' was measured. The final cleaning stage sets according to the saturation section corresponding to the resistance of the entire measuring scheme. To check the state of full purification of samples from a carbon-containing film the reflectance at normal incidence in the wavelength 220-650 nm was measured before C-film deposition, just after C-film deposition, and after finishing the cleaning procedure. In all cases (16 experiments) the approach of total resistance to the 'ntire resistance' of the scheme in use was supported by restoration of the reflectance of stainless steel samples to its initial value. The method can be reversed, i.e. allows one to control in situ the appearance of a contaminating layer growing on the surface of a metal sample, preliminary cleaned before being installed in a vacuum vessel

The radiation intensity of the Lyman alpha line at the ionization front in the quasi-steady plasma accelerator

Research of the radiation transport in the ionizing gas streams in the channel of the quasi-steady plasma accelerator is carried out. The quasi-one-dimensional model of the ionizing gas flow includes the MHD equations combined with the ionization and recombination kinetics equation within the framework of the modified diffusion approximation. Solution of the radiation transport equation is based on calculation of the plasma emissivity, the photon absorption coefficients, the line profile and use of the method of characteristics. Distribution of the radiation intensity for the Lyman alpha line is obtained, and also the integrated values of the density of the radiation energy and the radiation energy flux for all parts of the hydrogen spectrum along the accelerator channel are presented.Проведено исследование переноса излучения в потоках ионизующегося газа в канале квазистационарного плазменного ускорителя. Квазиодномерная модель течения ионизующегося газа основана на МГД- уравнениях с учетом кинетики ионизации и рекомбинации в рамках модифицированного диффузионного приближения. Моделирование переноса излучения основано на вычислении излучательной способности и коэффициента поглощения фотонов, определении профиля и использовании метода характеристик. Получено распределение интенсивности излучения центра альфа-линии Лаймана, а также распределения плотности энергии и плотности потока энергии излучения для всего спектра вдоль канала ускорителя.Проведено дослідження перенесення випромінювання в потоках газу, що іонізується, в каналі квазістаціонарного плазмового прискорювача. Квазіодновимірна модель течій гaзу, що іонізується, заснована на МГД-рівненнях з урахуванням кінетики іонізації і рекомбінації в рамках модифікованого дифузійного наближення. Моделювання перенесення випромінювання засноване на обчисленні випромінювальної здатності і коефіцієнтa поглинання фотонів, визначенні профілю і використанні методу характеристик. Отримано розподіл інтенсивності випромінювання центрa альфа-лінії Лаймана, а також розподіли густини енергії і густини потоку енергії випромінювання для всього спектрa уздовж каналу прискорювача

On the issue of shielding properties of plasma in the outside separatrix region of U-3M

When providing experiments on RF plasma production and heating in U-3M torsatron there was observed sudden decrease (up to two times) of mean confined plasma density during step-rise of an RF antenna voltage. Trying to analyze the reason of this effect we estimated a screening effect of the out-separatix plasma, characteristics of which were recently measured. It was found that at the plasma confinement border the attenuation is: 6 % for H2, 1.4, 7, 6 % for C, Fe and Ti atoms correspondingly. This is much below the result of attenuation (~70 %) estimated in [1] for the flux of laser ablated C atoms.При проведении экспериментов на торсатроне У-3M при ВЧ-способе создания и нагрева плазмы наблюдалось неожиданное уменьшение (примерно двукратное) средней плотности удерживаемой плазмы при ступенчатом нарастании напряжения на ВЧ-антенне. Пытаясь установить причину этого явления, мы оценили экранирующую роль засепаратрисной области плазмы по результатам недавно проведенных измерений. Было установлено, что на границе удерживаемой плазмы ослабление потока составляет: 6 % для Н2, 1.4, 7, 6 % для C, Fe, Ti соответственно. Это значительно ниже степени ослабления (~70 %), полученной в работе [1] для потока атомов С при лазерной абляции графитовой мишени.При проведенні експериментів на торсатроні У-3М при ВЧ-способі створення та нагріву плазми спостерігалося несподіване зменшення (приблизно дворазове) середньої густини утримуваної плазми при ступінчастому наростанні напруги на ВЧ-антені. Намагаючись встановити причину цього явища, ми оцінили екрануючу роль засепаратрисної області плазми за результатами недавно проведених вимірювань. Було встановлено, що на межі утримуваної плазми ослаблення потоку становить: 6 % для Н2, 1,4, 7, 6 % для C, Fe, Ti відповідно. Це значно нижче ступеня ослаблення (~ 70 %), отриманого в роботі [1] для потоку атомів С при лазерній абляції графітової мішені

Observation of plasma poloidal rotation in “Uragan-3M” torsatron from edge Hα fluctuation correlation studies

Studies of plasma edge Ha emission fluctuations firstly proposed for CHS heliotron/torsatron have been performed for RF produced/heated plasma in “Uragan-3M” torsatron. Approach is based on a realistic assumption that Ha emission fluctuations from plasma edge (ne≥10¹⁷m⁻³, Te≥10eV) defined mostly by electron density fluctuations. Having two Ha observation channels getting emission from plasma edge in 2 different poloidal locations of plasma one can study correlation of electron density fluctuations between these locations. Analysis of data included calculation of spectra of signals, their coherency and cross correlation between 2 signals for time windows 1 ms. Bands of rather high (>0.5) coherency were observed over the whole range (f<100 KHz) of frequencies. Calculation of cross correlation of digitally filtered (∆f=4 KHz) signals showed that time delay of low frequency part of signals coincides with time delay of no filtered signals and is decreasing with frequency increase. Conclusion of these observations is: time delay of low frequency part of signals reflects plasma poloidal rotation, time delay in the rest part of spectra reflects a dispersion properties of poloidally propagating density fluctuations

Effects of water impact on optical properties of metallic mirror samples

The effects of exposure in water or water steam on optical properties of mirror samples fabricated of different metals were studied. Materials of samples were: tungsten, beryllium, molybdenum, stainless steel, nickel, copper, rhodium, and amorphous alloys of two compositions. The material of the mirror was found to play a decisive role in degree of impact of water or water vapor on mirror degradation. The most strongly degraded Mo and Cu mirror samples, and the lowest degradation was observed for SS and Rh/SS mirror samples. The reflectance can be restored practically initial level when after water impact procedure the mirrors are exposed to ions of Ar plasma with energy ≥100 eV up to ion fluence >10¹⁹ ion/cm².Вивчено ефекти впливу води або водяної пари на оптичні властивості зразків дзеркал, виготовлених з різних металів: молібдену, вольфраму, нержавіючої сталі, нікелю, міді, родію, берилію і аморфних сплавів двох композицій. Було виявлено, що матеріал дзеркала відіграє вирішальну роль у мірі впливу води або водяної пари на деградацію дзеркала. Найбільш сильно деградували Mo- і Cu- зразки, а найнижча деградація спостерігалася для дзеркал SS і Rh/SS. Коефіцієнт віддзеркалення може бути відновлений до практично початкового рівня, якщо після впливу води дзеркала піддаються впливу іонів Ar-плазми з енергією ≥100 еВ до іонного флюєнса >10¹⁹ іонів/см².Изучены эффекты воздействия воды или водяного пара на оптические свойства образцов зеркал, изготовленных из разных металлов: молибдена, вольфрама, нержавеющей стали, никеля, меди, родия, бериллия и аморфных сплавов двух композиций. Было обнаружено, что материал зеркала играет решающую роль в степени воздействия воды или водяного пара на деградацию зеркала. Наиболее сильно деградировали Mo- и Cu- образцы, а самая низкая деградация наблюдалась для зеркал SS и Rh/SS. Коэффициент отражения может быть восстановлен до практически начального уровня, если после воздействия воды зеркала подвергаются воздействию ионов Ar-плазмы с энергией ≥100 эВ до ионного флюенса >10¹⁹ ионов/см²

First results with collecting probes in U-2M torsatron

The results are presented on a postmortem analysis of the mirror-like SS samples and two glass samples exposed in the Uragan-2M (U-2M) vacuum chamber during experimental campaigns in 2015 and 2016 years. The examination of the samples, after their removal from the chamber, has revealed that all of them were coated with a carbon-containing film of thickness dependent on the sample position. All metal samples were easily cleaned by low energy ions of deuterium plasma, excluding the one located nearby the RF antenna, which was used for RF plasma production.Представленo результати аналізу поверхні зразків дзеркал з нержавіючої сталі і двох скляних зразків, експонованих у вакуумній камері установки Ураган-2М протягом двох експериментальних кампаній (2015 і 2016 рр.). Після вилучення зразків з вакуумної камери було виявлено, що всі вони покриті вуглецевмісною плівкою, товщина якої залежить від положення зразка. Всі металеві зразки були легко очищені від забруднюючого шару низькоенергетичними іонами дейтерієвої плазми, за винятком того, що розташовувався поблизу ВЧ-антени, яка використовувалася для створення плазми.Представлены результаты анализа поверхности образцов зеркал из нержавеющей стали и двух стеклянных образцов, экспонированных в вакуумной камере установки Ураган-2М в течение двух экспериментальных кампаний (2015 и 2016 гг.). После изъятия образцов из вакуумной камеры было обнаружено, что все они покрыты углеродсодержащей пленкой, толщина которой зависит от положения образца. Все металлические образцы были легко очищены от загрязняющего слоя низкоэнергетичными ионами дейтериевой плазмы, за исключением образца, располагавшегося вблизи ВЧ-антенны, которая использовалась для создания плазмы

The method for in situ monitoring of the quality of in-vessel mirrors in a fusion reactor

In laser and optical methods of plasma diagnostics in ITER the most critical components of the measurement schemes will be the First Mirrors (FM) facing the burning plasma and located rather close to plasma volume. It is very important to check regularly the working condition of FM surface in situ, e.g., to control the Quality of transmitted Image (IQ) or signal. In the present work we compare the results of measurements of IQ made in situ, directly on the plasma device DSM-2 during mirror exposure to ion bombardment, with a compact optical scheme in use, and the results of ex situ measurements (on the DIQ stand) – with two times longer distance to mirror (~2.5 meters).В лазерних та оптичних методах діагностики плазми в ITER’і критичним елементом схеми вимірювань є перше дзеркало (FM), розміщене в безпосередній близькості до плазмового шнура. Тому дуже важливо відстежувати стан поверхні in situ, наприклад, контролюючи якість переданого зображення (IQ). У даній роботі ми порівнюємо результати вимірювань IQ зроблених за допомогою компактної оптичної схеми in situ, безпосередньо під час експонування дзеркала на плазмовій установці DSM-2, з результатами ex situ- вимірювань (на DIQ стенді) – з більш віддаленим положенням дзеркала.В лазерных и оптических методах диагностики плазмы в ITER’е критичным элементом схемы измерений является первое зеркало (FM), размещённое в непосредственной близости к плазменному шнуру. Поэтому очень важно отслеживать состояние поверхности in situ, например, контролируя качество передаваемого изображения (IQ). Мы сравниваем результаты измерений IQ, сделанных с использованием компактной оптической схемой in situ, непосредственно во время экспонирования зеркала на плазменной установке DSM-2, с результатами ex situ- измерений (на DIQ стендe) – с более удалённым положением зеркала

Specular and diffusive reflectance of stainless steel mirrors sputtered with Ar⁺ ions

It was shown that a light source with edge sharpness can be used for very sensitive measurements of the ratio of specular and diffusive components of reflectance of the mirror subjected to sputtering.Измерение изображения резко очерченного источника света, отраженного от зеркала (IQ-метод), является очень чувствительным методом регистрации соотношения зеркального и диффузного компонентов коэффициента отражения при распылении испытуемых образцов.Вимірювання зображення різко окресленого джерела світла, відбитого від дзеркала (IQ-метод), є дуже чутливим методом реєстрації співвідношення дзеркального та дифузного компонентів коефіцієнта відбиття при розпиленні випробовуваних зразків