Исследование спектра излучения плазмы в ВЧ эмиттере мощного атомарного инжектора

Исследование спектра излучения плазмы в ВЧ эмиттере мощного атомарного инжектора

Е.С.Гришняев, И.А.Иванов, А.А.Подыминогин, С.В. Полосаткин, И.В.Шиховцев

Семинар плазменных лабораторий, 18 декабря 2007 года

Нагревные пучки могут являться основным источником примесей в плазме“Стандартное” содержание примесей в нейтральных пучках 1-2% (2XIIB, TMX, TFTR)

Необходимо минимизировать поступление примесей с нейтральным пучком

Примеси в пучках быстрых нейтралов

Инжекционная система TAE

ЗадачиОпределение потока примесей:

Масс-спектроскопияДоплеровская спектроскопия водорода (H2O, CxHy)Оптическая спектроскопия примесей в пучкеSIMS - secondary ion mass spectroscopy

Определение источников примесей, контроль состава:Анализ спектра излучения плазменного эмиттера Основные примеси C, O Молекулярные компоненты H2O, OH … Возможное наличие металлов, азота и т.д.

Диагностика примесей в инжекторе нейтралов

к спектрометру

Спектрометр (монохроматор МУМ):Спектральный диапазон 400 – 850 нмДисперсия 3,2 нм/ммРазрешение 0,2 нмКадр 15 нм

ПЗС камера (ИЯФ, М.Г.Федотов): 5.84 x 4.94 мм2 700x516 точек,14 бит, 800 фотонов / бит Длительность кадра 70 мс – 10 с

Схема измерений

546

Стенд диагностических инжекторов

Длина волны, нм

Инт

енси

внос

ть,

о.е.

450 500 550 600 650 700 750 800 850

Спектр свечения плазмы ВЧ-эмиттера

H

H

0

100010.05.2007


Инт

енси

внос

ть,

о.е.

450 500 550 600 650 700 750 800 850


H

H

0

10010.05.2007


Инт

енси

внос

ть,

о.е.

450 500 550 600 650 700 750 800 850


H

H

0

1010.05.2007


Инт

енси

внос

ть,

о.е.

450 500 550 600 650 700 750 800 850


H

H

0

110.05.2007


Инт

енси

внос

ть,

о.е.

450 500 550 600 650 700 750 800 850


H

H

0

110.05.2007


Инт

енси

внос

ть,

о.е.

550 575 600 625 650

Молекулярный спектр водорода(полоса Фалчера)


Инт

енси

внос

ть,

о.е.

550 575 600 625 650


Пирс, Гайдон Идентификация молекулярных спектров, 1949

H2 полоса Фалчера (Fulcher band)


Инт

енси

внос

ть,

о.е.

550 575 600 625 650





Инт

енси

внос

ть,

о.е.

550 575 600 625 650




Свечение плазмы ВЧ разряда

Свечение нейтрального пучка (спектрометр HR2000)

Дивертор JT-60(Trot=550 К)

n=2

n=3

Структура молекулярного спектраV – колебательное квантовое числоJ – вращательное квантовое число

Q branch: J=0

Возможность идентификации линий примесей определяется фоном свечения молекулярного водородаМолекулярный спектр водорода содержит информацию о вращательной температуре нейтрального газа

(Trot=320 К)


Инт

енси

внос

ть,

о.е.

450 500 550 600 650 700 750 800 850


Инт

енси

вно

сть,

о.е

.

450 500 550 600 650 700 750 800 850

Спектр разряда в гелии

Гелий

ВодородHH


Инт

енси

внос

ть,

о.е.

450 500 550 600 650 700 750 800 850


Инт

енси

вно

сть,

о.е

.

450 500 550 600 650 700 750 800 850


Гелий

ВодородHH


Инт

енси

внос

ть,

о.е.

450 500 550 600 650 700 750 800 850


Инт

енси

вно

сть,

о.е

.

450 500 550 600 650 700 750 800 850


Гелий

ВодородHH


Инт

енси

вно

сть,

о.е

.

650 700 750 800 850


Инт

енси

вно

сть,

о.е

.

650 700 750 800 850


Гелий

Водород


Инт

енси

вно

сть,

о.е

.

650 700 750 800 850


Инт

енси

вно

сть,

о.е

.

650 700 750 800 850


Гелий

Водород

O I

O I

CaH?

???

молекулярный водород

450 500 550 600 650 700 750 800 850

Инт

енси

внос

ть,

о.е.


22.03.2007

Спектральные линии примесей в ВЧ разрядекислород

450 500 550 600 650 700 750 800 850

Инт

енси

внос

ть,

о.е.


O I

Eu=

10,7

эВ

O I

Eu=

10,9

эВ

O I

Eu=

14 э

В

Te=1 эВ

22.03.2007


T

EE uu

egA

gA

I

I 21

222

111

2

1 ~

450 500 550 600 650 700 750 800 850

Инт

енси

внос

ть,

о.е.


O I

Eu=

10,7

эВ

O I

Eu=

10,9

эВ

O I

Eu=

14 э

В

Te=1 эВTe=2 эВ

22.03.2007


T

EE uu

egA

gA

I

I 21

222

111

2

1 ~

450 500 550 600 650 700 750 800 850

Инт

енси

внос

ть,

о.е.


22.03.2007


T

EE uu

egA

gA

I

I 21

222

111

2

1 ~

450 500 550 600 650 700 750 800 850

450 500 550 600 650 700 750 800 850

450 500 550 600 650 700 750 800 850

Динамика содержания примесей

22.03.2007

18.04.2007

10.05.2007

O I O I

450 500 550 600 650 700 750 800 850

450 500 550 600 650 700 750 800 850

450 500 550 600 650 700 750 800 850

22.03.2007

18.04.2007

10.05.2007

Динамика содержания кислородаO I O I

450 500 550 600 650 700 750 800 850

450 500 550 600 650 700 750 800 850

450 500 550 600 650 700 750 800 850

22.03.2007

18.04.2007

10.05.2007


450 500 550 600 650 700 750 800 850

450 500 550 600 650 700 750 800 850

450 500 550 600 650 700 750 800 850

450 500 550 600 650 700 750 800 850

22.03.2007

18.04.2007

10.05.2007

07.12.2007TAE


Динамика содержания кислородавлияние тренировки

770 775 7800

20

40

60

80

100

Инт

енси

внос

ть,

о.е.

770 775 7800

20

40

60

80

100

Инт

енси

внос

ть,

о.е.

770 775 7800

20

40

60

80

100

Инт

енси

внос

ть,

о.е.

645 650 655 6600

2000

4000

6000

8000

Инт

енси

внос

ть,

о.е.

645 650 655 6600

2000

4000

6000

8000

Инт

енси

внос

ть,

о.е.

645 650 655 6600

2000

4000

6000

8000

Инт

енси

внос

ть,

о.е.

Длина волны, нм Длина волны, нм

O I

O I

O I

H

H

H

до тренировки

после тренировки

15 минпосле тренировки

Тренировка плазменного эмиттера длинными (1 с) ВЧ-разрядами приводит к уменьшению интенсивности свечения кислорода в 2 разаЭффект прогрева сохраняется в течение продолжительного времени

Номер выстрела

Инт

енси

внос

ть, о

.е.

Динамика содержания кислорода

8.0

6.2

00

7

29.05.2007

21

.06

.20

07

30.05.2007

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500

100

200

300

400

500

600

700

800

16

.04

.20

07

29.06.2007

Номер выстрела

Инт

енси

внос

ть, о

.е.

Динамика содержания кислорода

8.0

6.2

00

7

29.05.2007

21

.06

.20

07

30.05.2007

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500

100

200

300

400

500

600

700

800

16

.04

.20

07

29.06.2007

8 10 12 14 160

100

200

300

400

500

10 12 14 16 180

100

200

300

400

500

Время, ч Время, ч

29.05.2007 30.05.2007

Динамика содержания кислородавлияние прогрева

Прогрев лайнера приводит к увеличению содержания кислородаПрогрев

Основным источником кислорода являются элементы плазменной камеры

450 500 550 600 650 700 750 800 850

Инт

енси

внос

ть,

о.е.


O I

Eu=

10,7

эВ

O I

Eu=

10,9

эВ

O I

Eu=

14 э

В

Te=1 эВ

22.03.2007

Спектральные линии примесей в ВЧ разрядеуглерод

450 500 550 600 650 700 750 800 850

Инт

енси

внос

ть,

о.е.


22.03.2007


450 500 550 600 650 700 750 800 850

Инт

енси

внос

ть,

о.е.


С I

Eu=

9,2

эВ

С I

Eu=

10,4

эВ

Te=1 эВ


450 500 550 600 650 700 750 800 850

Инт

енси

внос

ть,

о.е.


С I

Eu=

9,2

эВ

С I

Eu=

10,4

эВ

Te=1 эВTe=2 эВ


O I 777 нм Eu=10.7 эВ <V>T=1эВ=1.7*10-14 см3/с С I 833 нм Eu=9.2 эВ <V> T=1эВ =1.7*10-13 см3/с

03.0~eO

eC

O

C

O

C

V

V

I

I

n

n

Оценка соотношения концентраций кислорода и углерода в разряде дает значение nc/nO~0.03

SIMS анализ содержания примесейуглерод

0 100 200 300 400 500 6000

2

4

6

8

10

12

14

Глубина, нм

Кон

цен

трац

ия, 1

019 с

м-3

Кремниевая подложкаПучок 47.5 кэВ, 1.8 А, 20 имп. 3 мс

С, без геттера

O,без геттера

С,c геттером

O,c геттером


Инт

енси

вно

сть,

о.е

.

650 700 750 800 850


Инт

енси

вно

сть,

о.е

.

650 700 750 800 850

Гелий

Водород

O I

O I

CaH

???

Молекулярные полосы примесей


Инт

енси

вно

сть,

о.е

.

650 700 750 800 850


Инт

енси

вно

сть,

о.е

.

650 700 750 800 850

Гелий

Водород

O I

O I

CaH

???


686 687 688 689 690 691 692 693 694 695 696


Инт

енс

ивн

ость

, о

.е.

CaH

Разряд

Ne(калибровка)


Пирс, Гайдон: "… наблюдаются в дугах с кальцием в водороде…"

450 500 550 600 650 700 750 800 850

450 500 550 600 650 700 750 800 850

450 500 550 600 650 700 750 800 850

22.03.2007

18.04.2007

10.05.2007

Динамика содержания примесейO I O I

450 500 550 600 650 700 750 800 850

450 500 550 600 650 700 750 800 850

450 500 550 600 650 700 750 800 850

22.03.2007

18.04.2007

10.05.2007

O I O I

Динамика CaH

670 680 690 700 710

670 680 690 700 710

670 680 690 700 710


22.03.07

18.04.07

10.05.07


670 680 690 700 710

670 680 690 700 710

670 680 690 700 710

670 680 690 700 710

670 680 690 700 710

670 680 690 700 710


22.03.07

18.04.07

10.05.07

20.06.07

19.11.07

07.12.07TAE


Спектроскопия свечения атомарного пучка

600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700

Инт

енси

внос

ть,

о.е.


Спектрометр HR2000сумма по 300 выстрелам

H

E

E/2

E/3

E/18

600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700

Инт

енси

внос

ть,

о.е.



600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700

Инт

енси

внос

ть,

о.е.



645 650 655 6600

200

400

600

800

1000

765 770 775 7800

200

400

600

800

1000


Пучок TAE23 кВ, 8 А, 15 мс


Определение абсолютного значения потока примесей:Основная проблема – отсутствие данных по сечениям возбуждения ионов

Напуск контролируемого количества примесейСравнение интенсивностей доплеровски смещенных линий примесей

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

0.2

0.4

0.6

0.8

1

V/Vmax

dJ/

dV

, о

.е.


Пучок TAE23 кВ, 8 А, 15 мс

Определение абсолютного значения потока примесей:Основная проблема – отсутствие данных по сечениям возбуждения ионов

Напуск контролируемого количества примесейСравнение интенсивностей доплеровски смещенных линий примесей

Emax/E

Инт

енс

ивн

ост

ь, о

.е.

0 10 20 30 40 500

100

200

300

400

Заключение

Спектроскопия плазмы позволяет контролировать содержание примесей в плазменном эмиттере атомарного инжектора.

Спектроскопия примесей в нейтральном пучке возможна при увеличении чувствительности системы

Для определения абсолютного значения потока примесей может использоваться сравнение с измерениями интенсивностей смещенных линий водорода

Documents

Исследование спектра излучения плазмы в ВЧ эмиттере мощного атомарного инжектора