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
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
10010.05.2007
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
1010.05.2007
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
110.05.2007
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
110.05.2007
Длина волны, нм
Инт
енси
внос
ть,
о.е.
550 575 600 625 650
Молекулярный спектр водорода(полоса Фалчера)
Длина волны, нм
Инт
енси
внос
ть,
о.е.
550 575 600 625 650
Молекулярный спектр водорода(полоса Фалчера)
Пирс, Гайдон Идентификация молекулярных спектров, 1949
H2 полоса Фалчера (Fulcher band)
Длина волны, нм
Инт
енси
внос
ть,
о.е.
550 575 600 625 650
Молекулярный спектр водорода(полоса Фалчера)
Пирс, Гайдон Идентификация молекулярных спектров, 1949
H2 полоса Фалчера (Fulcher band)
Длина волны, нм
Инт
енси
внос
ть,
о.е.
550 575 600 625 650
Молекулярный спектр водорода(полоса Фалчера)
Пирс, Гайдон Идентификация молекулярных спектров, 1949
H2 полоса Фалчера (Fulcher band)
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)
Длина волны, нм
Инт
енси
внос
ть,
о.е.
450 500 550 600 650 700 750 800 850
Длина волны, нм
Инт
енси
вно
сть,
о.е
.
450 500 550 600 650 700 750 800 850
Спектр разряда в гелии
Гелий
ВодородHH
Длина волны, нм
Инт
енси
внос
ть,
о.е.
450 500 550 600 650 700 750 800 850
Длина волны, нм
Инт
енси
вно
сть,
о.е
.
450 500 550 600 650 700 750 800 850
Спектр разряда в гелии
Гелий
ВодородHH
Длина волны, нм
Инт
енси
внос
ть,
о.е.
450 500 550 600 650 700 750 800 850
Длина волны, нм
Инт
енси
вно
сть,
о.е
.
450 500 550 600 650 700 750 800 850
Спектр разряда в гелии
Гелий
ВодородHH
Длина волны, нм
Инт
енси
вно
сть,
о.е
.
650 700 750 800 850
Длина волны, нм
Инт
енси
вно
сть,
о.е
.
650 700 750 800 850
Спектр разряда в гелии
Гелий
Водород
Длина волны, нм
Инт
енси
вно
сть,
о.е
.
650 700 750 800 850
Длина волны, нм
Инт
енси
вно
сть,
о.е
.
650 700 750 800 850
Спектр разряда в гелии
Гелий
Водород
O I
O I
CaH?
???
молекулярный водород
450 500 550 600 650 700 750 800 850
Инт
енси
внос
ть,
о.е.
Длина волны, нм
22.03.2007
Спектральные линии примесей в ВЧ разрядекислород
450 500 550 600 650 700 750 800 850
Инт
енси
внос
ть,
о.е.
Длина волны, нм
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 разрядекислород
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.
Длина волны, нм
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
Спектральные линии примесей в ВЧ разрядекислород
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.
Длина волны, нм
22.03.2007
Спектральные линии примесей в ВЧ разрядекислород
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
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
450 500 550 600 650 700 750 800 850
22.03.2007
18.04.2007
10.05.2007
07.12.2007TAE
Динамика содержания кислородаO I O I
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.
Длина волны, нм
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.
Длина волны, нм
22.03.2007
Спектральные линии примесей в ВЧ разрядеуглерод
450 500 550 600 650 700 750 800 850
Инт
енси
внос
ть,
о.е.
Длина волны, нм
С I
Eu=
9,2
эВ
С I
Eu=
10,4
эВ
Te=1 эВ
Спектральные линии примесей в ВЧ разрядеуглерод
450 500 550 600 650 700 750 800 850
Инт
енси
внос
ть,
о.е.
Длина волны, нм
С I
Eu=
9,2
эВ
С I
Eu=
10,4
эВ
Te=1 эВTe=2 эВ
Спектральные линии примесей в ВЧ разрядеуглерод
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
Длина волны, нм
Инт
енси
вно
сть,
о.е
.
650 700 750 800 850
Длина волны, нм
Инт
енси
вно
сть,
о.е
.
650 700 750 800 850
Гелий
Водород
O I
O I
CaH
???
Молекулярные полосы примесей
Длина волны, нм
Инт
енси
вно
сть,
о.е
.
650 700 750 800 850
Длина волны, нм
Инт
енси
вно
сть,
о.е
.
650 700 750 800 850
Гелий
Водород
O I
O I
CaH
???
Молекулярные полосы примесей
686 687 688 689 690 691 692 693 694 695 696
Длина волны, нм
Инт
енс
ивн
ость
, о
.е.
CaH
Разряд
Ne(калибровка)
Молекулярные полосы примесей
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
Длина волны, нм
22.03.07
18.04.07
10.05.07
Динамика CaH
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
Длина волны, нм Длина волны, нм
22.03.07
18.04.07
10.05.07
20.06.07
19.11.07
07.12.07TAE
Динамика CaH
Спектроскопия свечения атомарного пучка
600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700
Инт
енси
внос
ть,
о.е.
Длина волны, нм
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.
Длина волны, нм
Спектроскопия свечения атомарного пучка
600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700
Инт
енси
внос
ть,
о.е.
Длина волны, нм
Спектроскопия свечения атомарного пучка
645 650 655 6600
200
400
600
800
1000
765 770 775 7800
200
400
600
800
1000
Спектроскопия свечения атомарного пучка
Пучок TAE23 кВ, 8 А, 15 мс
Длина волны, нм Длина волны, нм
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.
Спектроскопия свечения атомарного пучка
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