Реферат
на тему: «Зеркала из материалов с высокой отражательной способностью
»
Харьков 2011
Введение
Одна из наиболее меняющихся проблем в создании диагностической системы для ИТЕРа является выбор подходящего материала для зеркала. Быстрая деградация поверхности под действием излучения, бомбардировки быстрыми частицами, загрязнения являются механическими и тепловыми нагрузками на элементы оптической диагностики, находящейся в диверторной области.
Первоначально, при выборе материала зеркала, учитывается эрозия под действием бомбардировки. Далее, учитывается повышенное содержания примесей в диверторной плазме, и как следствие, загрязнение всех элементов системы оптической диагностики. Предполагаемая доза аморфной углеводородной (a-C:H) пленки, осаждаемой на первые зеркала оптической системы, будет равна 0,2 нм/мин. Углеводородная пленка прозрачна для красного и инфракрасного спектра, но она может пагубно сказаться на отражательной способности металлов с низким изначальным коэффициентом отражения. На металлы с высоким коэффициентом отражения, углеводородная пленка не повлияет столь сильно.
Для уменьшения негативного влияния загрязнения, планируется использовать зеркала из материалов с высоким коэффициентом отражения (Ag, Al) покрытых прозрачной оксидной пленкой (Al2
O3
, ZrO2
). Предполагается, что покрытие защитит зеркала от распыления и блистеринга.
Экспериментальные исследования
Основная задача исследований – изучение изменения отражательной способности зеркал, при распылении их поверхностями ионами дейтериевой плазмы.
В ходе исследований, также, определялась скорость распыления поверхности. Данная характеристика зеркала легко определяется с помощью формулы:
 ,
где r
и S – площадь образца зеркала и плотность его материала.
При фиксированной плотности ионного тока j (А/см2
) поток ионов на образец будет величиной постоянной, следовательно полученная доза Di:
Di
= Ni
×t,
где Ni
– поток ионов на ед. площади, t – время экспозиции.
Таким образом, зная зависимость m(t), мы можем определить соответствие распыленной толщины h и полученной дозы Di
.
Экспериментальная установка
Эксперименты по исследованию влияния атомов перезарядки на отражательную способность зеркал проводились на установке ДСМ-2.
Рис. 1. – Принципиальная схема установки ДСМ-2:
1 – Баллоны с дейтерием и водородом; 2 – редукторы;
3а – пьезонатекатель; 3b – игольчатый натекатель; 4 – откачной порт;
5 – водоохлаждаемые катушки магнитного поля; 6 – тефлоновое окно;
7 – ввод СВЧ – мощности; 8 – рабочая вакуумная камера;
9 – вакуумный клапан ДУ-50; 10 – шлюзовая камера с
дифференциальной откачкой; 11 – коаксиальный шток.
В ДСМ-2 используется простая схема, обеспечивающая бомбардировку образцов зеркал ионами с фиксированным или широким спектром по энергиям. Принципиальная схема установки представлена на рис. 1, а на рис 2 показана схема подачи напряжения на образец.
Рис. 2. – Схема подачи напряжения на образец
Установка представляет собой цилиндрическую камеру, изготовленную из нержавеющей стали, длиной 0,5 м и диаметром в центральной части 0,5 м. На торцах камеры расположены водоохлаждаемые магнитные катушки. Они включены последовательно так, что образуют зеркальную ловушку (пробкотрон) с магнитной индукцией 0,5 кГс в центре камеры и 2,25 кГс в области пробок.
Камера используется, как многомодовый резонатор для СВЧ – мощности, которая вводится в камеру через тефлоновое окно, посредством прямоугольного волновода от СВЧ-генератора типа «Хазар», (на основе магнетрона М-571, с частотой 2,375 ГГц). Мощность генератора может плавно меняться в диапазоне (200¸2500) Вт. Источником ионов в эксперименте служит плазма СВЧ разряда в условиях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР), на указанной частоте при вводимой СВЧ – мощности 200-400 Вт. Плотность плазмы составляет ne
~ 1010
см -3
, при электронной температуре Тe
» 5 эВ. В этих условиях температура ионов соответствует газу при комнатной температуре. Таким образом, установка, практически, представляет собой плазменный источник «холодных» ионов.
Откачка рабочей камеры на высокий вакуум осуществляется турбомолекулярным насосом ТМН-500 и магниторазрядным насосом НОРД-250, включенными параллельно. Вакуум в рабочей камере перед напуском рабочего газа достигает 2×10-6
торр, в то время как давление рабочего газа во время экспозиции составляет (7¸8)×10-5
Торр. Непосредственно перед напуском водорода (дейтерия) НОРД отключается, вакуум снижается до (4¸5)×10-6
Торр, и поэтому примеси на момент начала экспозиции составляют около 5¸6%. Давление в камере измерялось по ионизационной лампе ПМИ-2. Эксперименты проводились при давлении 2·10-5
¸10-3
Торр.
На рис. 3 представлена зависимость плотности плазмы ne
и электронной температуры Te
от давления в камере. Как видно из графика, температура электронов монотонно убывает с увеличением давления. Плотность электронов максимальна при давлении (7¸8)·10-5
Торр, что является оптимальным режимом по давлению.
Рис. 3. – Зависимость плотности плазмы ne и электронной температуры
Te от давления рабочего газа (дейтерия)
На рис. 4 представлено радиальное распределение электронной температуры и плотности плазмы в области «пробки». Как видно, неоднородность плазмы не превышала ±10% в области ~10 см, это значит, что поток плазмы на тестируемый образец был однороден.
Рис. 4. – Радиальное распределение плотности плазмы и электронной
температуры в области «пробки»
Методика и проведение эксперимента
Перед экспериментом производится установка образца в держатель. Держатель с образцом помещается в шлюзовую камеру, которая откачивается форвакуумным насосом до давления 3-4 мВ по шкале вакуумметра ВИТ-1. Параллельно со шлюзовой камерой откачивается камера магнитной ловушки до давления ~ 10-5
торр. После предварительной откачки шток с образцом вводится в камеру через скользящее уплотнение, так, что образец оказывается в потоке плазмы, вытекающем из магнитной ловушки вдоль силовых линий. Производится откачка камеры на высокий вакуум – (2-3)´10-6
торр, одновременно с откачкой в камере зажигается СВЧ-разряд, с целью обезгаживания стенок камеры. Контроль и измерения вакуума ведутся с помощью вакуумметра ВИТ-1. По достижении необходимого вакуума, в камеру из баллона напускается дейтерий. Напуск производится при помощи пьезонатекателя до рабочего давления (7-8) ´ 10-6
торр.
Затем в камере зажигается СВЧ ЭЦР разряд. Экспозиция проводилась с двумя разными энергиями потока ионов: низкая энергия (ускоряющее напряжение – 60 эВ) и высокая энергия (1 кэВ). Измерение напряжения и тока на образец производится с помощью вольтметра и миллиамперметра. После экспозиции образец извлекается из вакуумной камеры и взвешивается. Измерения массы производятся на равноплечих весах ВЛР-2 с точностью до 20 мкг. Из нескольких измерений вычисляется среднее значение Δm.
Эксперименты проводились с разными типами зеркал: а) зеркало на Si подложке с ZrO2
пленкой, б) зеркало на Si подложке с AgZr пленкой.
Данные эксперимента для зеркал SiAgZr
В эксперименте использовались три идентичных зеркала на которые подавались разные напряжения. Величина тока на образец составила j=2.65 мА/см2
, рабочее давление PD
=7.5x10-5
Торр. Проводилась серия экспозиций с разными временами. На рис. 5, 6, 7 представлены коэффициенты отражения на разных длинах волн после каждой экспозиции для трех зеркал.
Рис. 5. – Коэффициенты отражения для зеркала SiAgZr #1
Рис. 6. – Коэффициенты отражения для зеркала SiAgZr #2
Рис. 7. – Коэффициенты отражения для зеркала SiAgZr #3
Данные эксперимента для зеркал SiZrО2
зеркало отражательный дейтериевый волна экспозиция
В эксперименте использовались два идентичных зеркала на которые подавались разные напряжения. Величина тока на образец составила j=1,482 мА/см2
, рабочее давление PD
=7.5x10-5
Торр. Проводилась серия экспозиций с разными временами. На рис. 8, 9 представлены коэффициенты отражения на разных длинах волн после каждой экспозиции для двух зеркал.
Рис. 8. – Коэффициенты отражения для зеркала SiZrО2
#1
Перед экспозицией образец был взвешен m0
= 0.132940 г ± 20 мкг. После серии экспозиций вес образца изменился ∆m = 40 мкг, что соответствует распыленному слою толщиной 57,5 нм.
Рис. 9. – Коэффициенты отражения для зеркала SiZrО2
#2
Перед экспозицией образец был взвешен m0
= 0,133670 г ± 20 мкг. После серии экспозиций вес образца изменился ∆m = 10 мкг ± 20 мкг, что соответствует распыленному слою толщиной 43 нм.
Вывод
Зеркала из материалов с высокой отражательной способностью, покрытые оксидными пленками, могут в дальнейшем использоваться в системе оптической диагностики в области диверторной плазмы. Из экспериментальных результатов видно, что при бомбардировке зеркал с пленочным покрытием ионами малой энергии, которая будет использоваться для чистки камеры, толщина пленки существенно не меняется.
|
