Спектроскопия высокого разрешения для диагностики приповерхностной плазмы при взаимодействии мощных потоков неравновесной замагниченной плазмы со стенкой

Линейные установки с замагниченной плазмой – симуляторов дивертора показали свою перспективность для задач испытаний теплозащитной облицовки камеры будущего термоядерного реактора ИТЭР и перспективных токамаков. Для этих целей в рамках данного проекта в НИУ МЭИ были выполнены работы по доработке, оснащению диагностическими системами и запуску модернизированной установки ПЛМ. Установка ПЛМ не имеет аналогов в России и обладает параметрами, аналогичными параметрам нескольких самых мощных линейных магнитных установок в мире. Ключевой особенностью установки ПЛМ является возможность создания плазменной среды с заданными параметрами и поддержание ее практически неограниченное время. После испытания вольфрамовых образцов в гелиевой плазме в установке ПЛМ обнаружено формирование высокопористой неоднородной нано- и микроструктуры на поверхности образцов. При времени плазменного воздействия более 30 минут на изначально гладких вольфрамовых мишенях устойчиво формировалась наноструктурированная развитая поверхность со структурой типа «пух» с размером нановолокон от 20-50 нанометров. Впервые в мире удалось получить экспериментальную зависимость толщины слоя вольфрамового «пуха», образующегося на поверхности образца, от времени плазменного воздействия в широком интервале достигаемых доз ионов гелия и проследить переход в режим насыщения (прекращения роста высоты «пуха»). С помощью сканирующего электронного микроскопа были получены изображения поверхности испытуемых образцов до и после проведения эксперимента. Их анализ показал, что рост развитого поверхностного слоя с микро-наноструктурой существенно замедляется на гладких поверхностях, которые получаются в результате расплавления материала и последующего затвердевания в вакууме, либо на предварительно механически обработанной поверхности с малой степенью шероховатости. Также рост структур замедляется при малых углах плазменного потока по отношению к поверхности образца. Созданный в ходе выполнения проекта комплекс оптической спектроскопии позволил получать данные о пространственных распределениях параметров плазмы вблизи поверхности испытуемого образца, таких как температура и концентрация электронов плазмы, ее состав, включая концентрацию материала образца, поступающего в плазму при его разрушении, а также температура поверхности образца. Дополнительно была применена зондовая диагностика с использованием сборки из четырёх зондов Ленгмюра. Результаты зондовой диагностики находились в согласии с результатами спектроскопии.