МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИЙ ЗОНД

Полезная модель относится к устройствам для изучения взаимодействия пристеночной плазмы установок с магнитным удержанием с контактирующими с плазмой материалами, в том числе токамаков и стеллараторов, и предназначена для изучения взаимодействия потоков ионов и нейтральных частиц пристеночной плазмы с контактирующими с плазмой материалами.
Известно устройство [1], предназначенное для количественного анализа радиального распределения борной примеси в плазме токамака TEXTOR, а также измерения концентрации дейтерия в пристеночной плазме. Устройство содержит защитный кожух с прорезью прямоугольной формы, держатель коллекторов, расположенный внутри защитного кожуха, а также коллекторы, закрепленные на держателе коллекторов. Устройство помещается на подвижный вакуумный ввод и экспонируется в пристеночной плазме токамака TEXTOR. Частицы плазмы, проходящие через щель в защитном кожухе, адсорбируются на поверхности коллекторов, расположенных внутри устройства. После экспонирования устройства в плазме, коллекторы частиц плазмы извлекаются и анализируются методами анализа поверхности (ВИМС, ТДС и прочие).
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство, описанное в работе [2]. Устройство состоит из монтажного основания, выполненного в виде двух параллельных пластин, коллекторов частиц плазмы, держателей коллекторов, а также цилиндрического защитного кожуха. Коллекторы частиц плазмы установлены на монтажных пластинах, в защитном кожухе выполнены отверстия цилиндрической формы напротив каждого из коллекторов, при этом ось отверстий перпендикулярна поверхности соответствующего коллектора и проходит через его центр. Устройство помещается на подвижный вакуумный ввод и экспонируется в пристеночной плазме токамака Tore Supra. После экспонирования устройства в плазме, коллекторы частиц плазмы извлекаются из устройства и анализируются методами анализа поверхности (ВИМС, ТДС и прочие). Например, метод термодесорбционной спектрометрии (ТДС) позволяет определить количество частиц газа, накопленного в коллекторах.
Основным недостатком вышеописанных устройств является невозможность разделить внутри устройства потоки частиц, находящихся в ионизированном состоянии, и потоки нейтральных частиц. Данный недостаток не позволяет определить по отдельности влияние частиц плазмы находящихся в ионизированном состоянии от влияния частиц находящихся в нейтральном состоянии на контактирующие с плазмой материалы.
Техническим результатом полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства за счет разделения внутри устройства потоков ионов и нейтральных частиц и создание условий для отдельного облучения коллекторов частиц плазмы потоками ионов и нейтральных частиц плазмы.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве, включающем в себя монтажное основание, выполненное в виде прямоугольной пластины, помещенной внутри цилиндрического защитного кожуха вдоль его оси, коллекторы частиц плазмы, выполненные в виде пластин и закрепленные с помощью держателей на одной из сторон монтажного основания параллельно плоскости монтажного основания и так, что их центры лежат на одной прямой, параллельной оси кожуха, при этом в защитном кожухе по одну сторону от монтажного основания выполнены цилиндрические отверстия напротив соответствующих коллекторов так, что ось каждого отверстия перпендикулярна плоскости соответствующего коллектора и проходит через его центр дополнительно между защитным кожухом и монтажным основанием с обеих сторон от каждого из коллекторов и симметрично относительно оси отверстия в кожухе расположено два одинаковых электрода, по одному с каждой стороны, выполненных в виде пластин прямоугольной формы и установленных так, что их плоскости параллельны оси защитного кожуха, а плоскость, содержащая ось отверстия и перпендикулярная оси защитного кожуха, разделяет их на две равные части, при этом расстояния между пластинами не меньше диаметра отверстия в кожухе, размеры их сторон, параллельных оси отверстия в защитном кожухе, и размеры сторон, перпендикулярных оси отверстия не менее, чем в 10 раз больше расстояния между ними, при этом электроды электрически изолированы от кожуха и монтажного основания, и они отстоят от монтажного основания и кожуха на величину пробойного расстояния.
В частном случае, на монтажном основании рядом с каждым коллектором частиц плазмы, вдоль оси защитного кожуха, вплотную с каждым коллектором по одну сторону от них параллельно монтажному основанию закреплено по одному дополнительному коллектору частиц плазмы, так что их центры лежат на прямой, соединяющей основные коллекторы.
На фиг. 1 представлена общая схема полезной модели, на фиг. 2- схема полезной модели с дополнительными коллекторами частиц плазмы, где 1 -монтажное основание, 2 - коллектор частиц плазмы, 3 - держатель коллектора, 4 - защитный кожух, 5 - электроды формирователи электрического поля, 6 - дополнительные коллекторы частиц плазмы.
Монтажное основание 1 выполнено в виде прямоугольной пластины, и размещено внутри цилиндрического защитного кожуха 4 вдоль его оси. На одной из сторон монтажного основания устройства установлены коллекторы частиц плазмы 2, выполненные в виде пластин, при этом плоскости коллекторов параллельны плоскости монтажного основания, а их центры располагаются на одной прямой, которая параллельна оси защитного кожуха. Все коллекторы прижаты к монтажному основанию с помощью держателей коллекторов 3. В защитном кожухе напротив каждого из коллекторов частиц плазмы выполнены цилиндрические отверстия так, что их ось перпендикулярна плоскости соответствующего коллектора и проходит через его центр. Между каждым отверстием в кожухе и соответствующим коллектором на монтажном основании, по обе стороны от коллектора, установлены электрически изолированно по два электрода 5, каждый из которых выполнен в виде пластины прямоугольной формы. Плоскости электродов параллельны плоскости, образованной осью отверстия, выполненного напротив коллектора, и осью защитного кожуха, при этом расстояния от плоскости электродов до описанной плоскости одинаковы и не меньше диаметра отверстия. Плоскость, проходящая через ось отверстия и перпендикулярная оси защитного кожуха, разделяет каждый из электродов на две равные части. В частном случае на монтажном основании рядом с коллекторами частиц плазмы, по одну сторону от них, установлены дополнительные коллекторы частиц плазмы так, что их плоскости параллельны плоскости монтажного основания, а центры лежат на прямой, соединяющей центры коллекторов частиц плазмы.
Полезная модель работает следующим образом.
Коллекторы частиц плазмы закрепляются на монтажном основании и прижимаются к нему с помощью держателей коллекторов. Монтажное основание с установленными на нем коллекторами, электродами-формирователями электрического поля устанавливается внутрь защитного кожуха, причем отверстия, выполненные в кожухе, оказываются напротив соответствующих коллекторов частиц плазмы установленных на монтажном основании. Устройство устанавливается на ввод движения установки с магнитным удержанием плазмы, и вводиться в область пристеночной плазмы так, чтобы оси отверстий, выполненных в кожухе, оказывались параллельны собственному магнитному полю установки. На пластины-формирователи электрического поля подается разность потенциалов, при этом между ними образуется электрическое поле перпендикулярное магнитному полю установки. Таким образом, внутри устройства создается область со скрещенными магнитным и электрическим полями. Ионы плазмы, двигаясь вдоль силовых линий магнитного поля, попадают внутрь устройства и затем в область скрещенных магнитного и электрического полей. Под действием сил со стороны электрического поля и магнитного поля, происходит дрейф ионов в направлении перпендикулярном электрическому и магнитному полю, и таким образом, ионы не попадают на коллекторы частиц плазмы. Нейтрально заряженные частицы, попадающие из пристеночной плазмы внутрь устройства, не подвергаются воздействию электрического и магнитного полей и, не отклоняясь от своей начальной траектории, попадают на коллекторы частиц плазмы. После того, как устройство проведет некоторое количество времени в пристеночной плазме, оно извлекается из установки, снимается с подвижного ввода, удаляется защитный кожух, после чего коллекторы частиц плазмы исследуются методами анализа поверхности (например, ТДС и ВИМС). В частном случае, при установке дополнительных коллекторов частиц плазмы, ионы отклонившиеся в области скрещенных электрического и магнитного полей взаимодействуют с дополнительными коллекторами частиц плазмы.
Ниже приведен пример использования полезной модели для изучения взаимодействия пристеночной плазмы токамака Tore Supra с образцами.
16
2
17
2
На монтажном основании устанавливаются три коллектора частиц плазмы выполненные в виде пластин круглой и три дополнительных коллектора, выполненные из графита. Устройство устанавливается на подвижный вакуумный ввод токамака Tore Supra, и производиться серия погружений в пристеночную плазму токамака. На электроды формирователи электрического поля подается разность потенциалов в 1000 В, расстояние между электродами составляет 1 мм. Производится серия из 100 погружений по 1 секунде в пристеночную плазму. Магнитное поле в пристеночной области составляет 4 Т. После серии погружений из устройства извлекаются коллекторы частиц плазмы и производиться анализ коллекторов частиц плазмы методом термодесорбционной спектрометрии (ТДС). По результатам измерений в коллекторы частиц плазмы оказывается захвачено 0.9×10ат/см, а в дополнительные коллекторы частиц плазмы захват составляет 3.5×10 ион/см.
Таким образом показана возможность использования полезной модели для отдельного изучения влияния потоков ионов и нейтральных частиц на контактирующие с плазмой материалы в пристеночной плазме установок с магнитным удержанием плазмы.
Список литературы:
[1] В. Emmoth, P. Wienhold, М. Rubel, В. Schweer, and R. , "Particle collection at the plasma edge by a fast reciprocating probe at the TEXTOR tokamak," J. Nucl. Mater., vol. 313-316, no. SUPPL., pp. 729-733, 2003.
[2] J.P. Gurnn, L. Begrambekov, C. Brosset, A. Gordeev, T. Loarer, E. Miljavina, P. Shigin, H. Khodja, P. Oddon, J.-Y. Pascal, S. Vartanian, Controlled irradiation of CFC samples in the scrape-off layer of Tore Supra, Journal of Nuclear Materials, Volumes 337-339, 1 March 2005, Pages 644-648, ISSN 0022-3115