Зеркала из материалов с высокой отражательной способностью
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 (Al2O3,
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:
i = 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:
а - пьезонатекатель; 3b - игольчатый натекатель;
4 - откачной порт;
- водоохлаждаемые катушки магнитного поля; 6 -
тефлоновое окно;
- ввод СВЧ - мощности; 8 - рабочая вакуумная
камера;
- 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 температурыот 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.
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.