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

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

Experimental studies of ion emission from RPI-IBIS facility and modeling of ion motions

The paper presents the recent measurements of ion beams emitted from an RPI-IBIS plasma injector and some preliminary results of the theoretical modeling. The RPI-IBIS facility was equipped with coaxial electrodes made of thin molybdenum rods and a fast acting electromagnetic valve for the injection of a working gas. Plasma discharges were initiated with a variable time delay (τ ) after the gas injection and they were powered from a condenser bank charged to 30 kV, 30 kJ. The first part describes measurements of spatial distributions and energies of intense ion beams, which were performed by means of ion-pinhole cameras equipped with nuclear track detectors. Detailed analysis of ion mass- and energy-spectra was performed by means of a Thomson analyzer. The second part presents numerical simulations of ion motions in the RPI-IBIS facility, which were performed on the basis of a single-particle model.Представлены результаты исследований ионных пучков, эмитируемых стержневым инжектором RPI-IBIS, и некоторые предварительные результаты теоретического моделирования. RPI-IBIS оснащен коаксиальными электродами в виде тонких молибденовых стержней и быстодействующим электромагнитным клапаном для инжекции рабочего газа. Разряд инициировался с варьируемым временем задержки по отношению к напуску газа при напряжении на конденсаторной батарее 30 кВ. В первой части описаны измерения пространственных распределений и энергий интенсивных ионных пучков. Детальный анализ массовых и энергетических спектров проведен с использованием анализатора Томпсона. Вторая часть посвящена численному моделированию движения ионов в RPI-IBIS, которое проведено на основе одночастичной модели.Представлено результати досліджень іонних пучків, емітуємих стрижневим інжектором RPI-IBIS, і деякі попередні результати теоретичного моделювання. RPI-IBIS оснащений коаксіальними електродами у виді тонких молібденових стрижнів і швидко діючим електромагнітним клапаном для інжекції робочого газу. Розряд ініціювався з варіацією часу затримки стосовно напуску газу при напрузі на конденсаторній батареї 30 кВ. У першій частині описано виміри просторових розподілів і енергій інтенсивних іонних пучків. Детальний аналіз масових і енергетичних спектрів проведено з використанням аналізатора Томпсона. Друга частина присвячена чисельному моделюванню руху іонів у RPI-IBIS, що проведено на основі одночасткової моделі

Melt layer macroscopic erosion of tungsten and other metals under plasma heat loads simulating ITER off-normal events

This paper is focused on experimental analysis of melt layer erosion and droplet splashing of tungsten and other metals under heat loads typical for ITER FEAT off-normal events, such as disruptions and VDE’s. Plasma pressure gradient action on melt layer results in erosion crater formation with mountains of displaced material at the crater edge. It is shown that macroscopic motion of melt layer and surface cracking are the main factors responsible for tungsten damage. Weight loss measurements of all exposed materials demonstrate inessential contribution of evaporation process to metals erosion

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

On the problem of correctness in the stark spectroscopy of high-density plasma streams

This work is devoted to investigations of probable errors of the spectral methods for electron density measurements. The theoretical calculation of the optical plasma thickness τ for the hydrogen Hβ line was performed for the different values of the electron density and temperature. It was demonstrated that impact of the optical thickness on the electron density measurements is negligible small in our conditions

PVD Ti coating on Sm-Co magnets

The combination of conventional ion-plasma deposition (PVD) and pulsed plasma technologies (PPT) has been applied for rare-earth Sm-Co based magnets, to provide them with enhanced corrosion resistance. The influence of pulsed plasma treatment on Sm-Co magnets with deposited titanium PVD coatings has been investigated. It was revealed that thickness of modified layer significantly depends on the thickness of initial titanium film and plasma treatment regimes. As a result of plasma treatment with energy density of 30 J/cm² and pulse duration of ~ 5 μs fine-grained layer with the thickness of 70 microns has been formed on the Sm-Co magnet with pure titanium film of 50 micron. According to SEM analyses considerable diffusion of titanium to the bulk of the magnet, on the depth of 20 microns, took place. Such reaction enhances strong bonding between the coating and the magnet.Традиційна технологія іонно-плазмового нанесення захисних покриттів та технологія імпульсної плазмової обробки було застосовано для покращення корозійної стійкості магнітів на базі сплаву Sm-Co. Досліджено вплив дії імпульсних плазмових потоків на магніти Sm-Cо з попередньо нанесеною титановою плівкою. Встановлено, що товщина модифікованого шару значно залежить від товщини вихідної титанової плівки та режиму плазмової обробки. Після плазмової обробки магніту з попередньо нанесеною титановою плівкою (50 мкм) з густиною плазмового потоку 30 Дж/см² та довжиною імпульсу 5 мкс товщина модифікованого шару складала 70 мкм. За даними електронної мікроскопії було встановлено, що відбувалось суттєва дифузія титану у матеріал магніту на глибину до 20 мкм, що сприяло покращенню зчеплення між магнітом та покриттям.Традиционная технология ионно-плазменного напыления защитных покрытий в сочетании с импульсной плазменной обработкой была использована для улучшения стойкости магнитов на базе сплава Sm-Со. Исследовано влияние импульсных плазменных потоков на магниты Sm-Co c предварительно нанесенным титановым покрытием. Установлено, что толщина модифицированного слоя значительно зависит от толщины исходного титанового покрытия и режима плазменной обработки. После обработки магнита с предварительно нанесенным титановым покрытием 50 мкм, высокоэнергетическими плазменными потоками с плотностью плазменного потока 30 Дж/см² и длительностью импульса 5 мкс толщина модифицированного слоя составляла 70 мкм. По данным электронной микроскопии было установлено, что происходила существенная диффузия титана в материал магнита на глубину до 20 мкм, что способствовало улучшению сцепления между магнитом и покрытием

Exposures of EU W-CFC combined targets with QSPA Kh-50 plasma streams simulating ITER ELMs

Repeated load tests of special combined W-CFC samples were performed with QSPA plasma streams either resulting in strong melting of W surface layer or below the melting, but above the cracking threshold. Experiments show that in result of target exposures with heat load of 0.4 MJ/m2 (no melting) only cracks formation was found on both tungsten and CFC surfaces. It is obtained that enhanced evaporation of CFC results in additional shielding of tungsten surface by C cloud and protects W surface from evaporation even for essentially increased energy density in impacting plasma. Exposures of combined target with heat loads of 0.82 MJ/m2 resulted in strong melting of tungsten. Meshes of macro-cracks and micro-cracks as well as ripple structures are appeared on the resolidified surface.Проведено циклічні іспити спеціальних комбінованих зразків W-CFC з використанням плазмових потоків КСПП з варійованими енергетичними навантаженнями, які приводять до розвитого плавлення поверхневого шару W, або знаходяться нижче порога плавлення, але вище порога розтріскування. Експериментально показано, що в результаті опромінення мішеней з густиною енергії 0,4 MДж/м2 (відсутність плавлення) було зареєстровано тільки розтріскування поверхонь CFC і вольфраму. Зі збільшенням густини енергії розвинуте паротворення CFC приводить до додаткового екранування поверхні вольфраму шаром вуглецевої плазми і захищає поверхню W від паротворення навіть при істотно збільшеній густині енергії в плазмі, що налітає. Опромінення мішеней з тепловими навантаженнями 0,82 MДж/м2 приводить до інтенсивного плавлення вольфраму. Сітки макро-тріщин і мікро-тріщин, а також хвильова структура з'являються на повторно затверділій поверхні.Проведены циклические испытания специальных комбинированных образцов W-CFC с использованием плазменных потоков КСПУ с варьируемыми энергетическими нагрузками, которые приводят к развитому плавлению поверхностного слоя W, либо находятся ниже порога плавления, но выше порога растрескивания. Экспериментально показано, что в результате облучения мишеней плазменными потоками с плотностью энергии 0,4 MДж/м2 (отсутствие плавления) было зарегистрировано лишь растрескивание поверхностей CFC и вольфрама. С увеличением плотности энергии в плазменном потоке развитое парообразование CFC приводит к дополнительной экранировке поверхности вольфрама облаком углеродной плазмы и предохраняет поверхность W от испарения даже при существенно возросшей плотности энергии налетающей плазмы. Облучение мишеней с тепловыми нагрузками 0,82 MДж/м2 приводит к интенсивному плавлению вольфрама. Сетки макро-трещин и микро-трещин, а также волновые структуры появляются на повторно затвердевающей поверхности

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

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