Приборы и техника эксперимента, 2022, № 3, стр. 63-69

ВВЕДЕНИЕ

Одним из требований при разработке систем оптической диагностики плазмы международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР [1] является обеспечение периодического удаления загрязнений с отражающей поверхности входного зеркала. Для проведения этой процедуры в состав всех оптических диагностик должна входить встроенная система плазменной очистки зеркал и предусмотрен специальный режим работы установки с отключением магнитного поля и увеличением давления в вакуумной камере реактора с 10^–4 Па в промежутках между рабочими импульсами до 0.1–7 Па в режиме плазменной очистки [2, 3]. В качестве рабочих газов допускается применение D₂, He, Ne и Ar.

Система очистки первого зеркала разрабатываемой в России оптической диагностики “Активная спектроскопия” (Charge exchange recombination spectroscopy – CXRS) основана на удалении токопроводящих и тонких диэлектрических загрязнений методом ионного распыления в разряде с осциллирующими электронами в сетчатом полом катоде на постоянном или среднечастотном импульсном токе (DC/PDC (direct current/pulsed direct current) система очистки). Для инициализации разряда на постоянном токе требуется давление, значительно превышающее давление гашения разряда. Как показали проведенные ранее эксперименты, применение Ar обеспечивает эффективное функционирование DC/PDC-системы очистки в заданном диапазоне давлений [4]. При этом давление зажигания примерно в двад-цать раз превосходит давление, при котором происходит гашение разряда.

В диагностических портах ИТЭР, как правило, отсутствуют специальные подсистемы напуска газа и вакуумной откачки, поэтому вся вакуумная камера установки, имеющая объем ≈1400 м³ [1], будет заполняться газом до давления, необходимого для функционирования систем плазменной очистки зеркал. Все свободное внутреннее пространство диагностических портов заполнено блоками радиационной защиты из карбида бора с размерами 46 × 46 × 29.5 мм [5]. Оценка площади поверхности, на которой происходит абсорбция газа, только для одного диагностического порта дает величину более 1000 м² [5], что уже превосходит площадь всей первой стенки (840 м²). Бóльшая часть этой поверхности находится в скрытых полостях между дополнительными блоками радиационной защиты. В этих условиях использование Ar при проведении очистки входных зеркал значительно усложняет процесс последующей дегазации внутривакуумных компонентов установки, необходимой для снижения поступления тяжелых примесей в дейтерий-тритиевую (DT) смесь в штатном режиме эксплуатации реактора. В связи с этим использование более легких газов (особенно D₂) в режиме очистки может оказаться предпочтительным.

Минимальное давление поджига самостоятельного газового разряда на постоянном токе зависит от потенциала ионизации используемого газа [6]. Чем он выше, тем больше давление, требуемое для поджига, при том же приложенном напряжении. Как показали проведенные ранее исследования на полноразмерном макете системы очистки диагностики “Активная спектроскопия” [4], инициализация разряда при использовании Ar происходит при давлении около 4 Па. Однако для разрядной конфигурации с заземленными элементами разрядной ячейки, использованной в этой диагностике, максимальная эффективность очистки достигается при более низком давлении. Потенциал ионизации D₂, He и Ne значительно выше, чем у Ar, и для этих газов давление зажигания разряда значительно превосходит допустимое в ИТЭР (7 Па). Для снижения минимального давления газа, обеспечивающего повышение эффективности очистки на Ar и возможность применения Ne, He и D₂, предлагается использовать вспомогательный накаливаемый катод, размещаемый внутри сетчатого полого катода.

В статье представлены результаты исследования влияния термоэлектронной эмиссии на инициализацию разряда в системе плазменной очистки входного зеркала диагностики “Активная спектроскопия” в случае использования схемы c заземленными катодными элементами разрядной ячейки (включая водоохлаждаемое входное зеркало), дополненной поджигающим устройством на основе накаливаемого катода.

ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Исследования проводились на вакуумном стенде МАВР-2, снабженном безмасляной системой откачки. Использовался изготовленный из молибдена в ЗАО “Солар” (г. Минск, Белоруссия) полноразмерный функциональный макет разрядной ячейки DC/PDC-системы очистки входного зеркала диагностики “Активная спектроскопия”. Геометрические размеры замкнутого коробчатого полого катода 150 × 120 × 250 мм. Характерный размер ячейки использованных сеток – 5 мм. Съемная верхняя крышка полого катода (макет защитной поворотной шторки диагностического порта) не имеет перфорации. Диаметр дискового анода – 20 мм.

Катодные элементы разрядной ячейки были электрически соединены с заземленной вакуумной камерой. Расстояние от разрядной ячейки до стенок вакуумной камеры (на которых происходит осаждение продуктов эрозии, вышедших из разрядной ячейки через сетчатый катодный электрод) превышало 50 мм. Такая разрядная конфигурация не обеспечивает наилучшую эффективность очистки [4], но значительно упрощает конструкцию за счет возможности использования заземленного водоохлаждаемого входного зеркала. При этом не требуется применения электрической развязки в системе охлаждения и изоляторов для крепления элементов сетчатого полого катода, что повышает надежность функционирования в условиях термоядерного реактора. Общий вид разрядной ячейки (со снятой верхней крышкой) показан на рис. 1.

Рис. 1.

Фотография разрядной ячейки системы очистки первого зеркала диагностики “Активная спектроскопия”. 1 – макет входного зеркала; 2 – сетчатые стенки разрядной ячейки; 3 – анод; 4 – термоэмиссионный катод.

Принципиальная электрическая схема подключения компонентов разрядной ячейки и термоэмиссионного катода представлена на рис. 2.

Рис. 2.

Схема подключения разрядной ячейки и термоэмиссионного катода. 1 – макет входного зеркала, 2 – коробчатый сетчатый полый катод, 3 – анод, 4 – термоэмиссионный катод; К₁ – переключатель, I_m – ток распыляющих зеркало ионов, I_d – полный ток разряда, I_tc – ток накала термокатода, I_e – ток эмиссии.

Для эмиссии электронов при инициализации разряда применялся вольфрамовый термоэмиссионный катод с оксидным покрытием. Длина термокатода 50 мм, диаметр нити накала ≈0.1 мм. Сопротивление в холодном состоянии R = 1 Ом. Использовались два режима эмиссии электронов при поджиге разряда – с применением одного или двух параллельно включенных термокатодов. Применение переключателя К₁ позволило исследовать влияние эмиссии электронов с изолированного и электрически соединенного с полым катодом вспомогательного накаливаемого катода на инициализацию разряда при пониженном давлении рабочего газа, в качестве которого применялись D₂, He, Ne и Ar.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Измерения зависимости давления зажигания от тока накала термокатода для всех рабочих газов проводились в двух режимах – при использовании одного или двух термокатодов, включенных параллельно. Использовался режим стабилизации выходного тока источника питания разряда на уровне 200 мА. Напряжение в режиме холостого хода (без выходного тока) составляло 750 В. Результаты измерений зависимости давления зажигания разряда от тока накала термокатода для одного термокатода представлены на рис. 3.

Рис. 3.

Зависимости давления зажигания разряда (P_ign) от тока накала термокатода для D₂, He, Ne и Ar при использовании одного термокатода.

Дальнейшие исследования проводились при давлениях, близких к минимальному для используемого газа, при номинальном режиме термокатода (I_tc = 2 А, U_tc ≈ 10 В): ${{P}_{{{{{\text{D}}}_{2}}}}}$ = 6.7 Па, P_He = 6.7 Па, P_Ne = 2.7 Па и P_Ar = 0.5 Па.

При подаче на термокатод напряжения U_tc ≥ 7 В происходило его мгновенное перегорание. В режиме плавного нарастания тока накала до 10 В перегорания катода не наблюдалось. Это связано с различием сопротивления (в несколько раз) нити накала в холодном и нагретом состоянии.

На рис. 4 представлена зависимость напряжения при фиксированном токе разряда (I_d = 200 мА) от тока накала термокатода.

Рис. 4.

Зависимости напряжения при фиксированном токе разряда I_d  = 200 мА от тока накала термокатода при характерных для проведения очистки давлениях (цифры у кривых) D₂, He, Ne и Ar.

Отключение накала термокатода после инициализации разряда для всех исследованных газов приводило к переходу разряда в самостоятельный режим с повышением напряжения до нескольких сотен вольт.

Перераспределение ионного тока в полом катоде при наличии термоэмиссионного катода исследовалось посредством измерения зависимости тока разряда, поступающего на термокатод, от тока его накала при фиксированном значении полного тока разряда I_d = 200 мА. Полученная зависимость показана на рис. 5.

Рис. 5.

Зависимости тока разряда, поступающего на термокатод, от тока его накала при фиксированном значении тока разряда I_d  = 200 мА и характерных для проведения очистки давлениях D₂, He, Ne и Ar.

Влияние термоэмиссии на распыление поверхности зеркала (эффективность очистки) исследовалось посредством измерения зависимости ионного тока, поступающего на поверхность макета входного зеркала (I_m), от тока накала термокатода (I_tc). Результаты представлены на рис. 6.

Рис. 6.

Зависимости ионного тока, поступающего на поверхность макета входного зеркала, от тока накала термокатода при фиксированном значении тока разряда I_d = 200 мА и характерных для проведения очистки давлениях D₂, He, Ne и Ar.

Применение одного термокатода при использовании He не позволило снизить давление поджига до предельно допустимого в ИТЭР значения (P_max = 7 Па) [2]. Исследование зависимости давления зажигания для He от тока накала термокатода при повышенном значении максимального тока эмиссии электронов проводилось при применении двух параллельно включенных термокатодов. Зависимости давления зажигания от тока накала с использованием одного и двух параллельно включенных термокатодов показаны на рис. 7.

Рис. 7.

Зависимости давления зажигания разряда на He от тока накала термокатода при использовании одного (1) и двух параллельно включенных (2) термокатодов.

Как видно из полученных результатов, требуемый для инициализации газового разряда ток эмиссии электронов зависит от использованного газа и имеет наибольшее значение для He. Это связано с тем, что этот газ имеет максимальное значение потенциала ионизации. Результаты измерения давления поджига разряда на D₂, He, Ne и Ar без термокатода и с его использованием в номинальном режиме, а также потенциалы ионизации для этих газов представлены в табл. 1.

Также был исследован режим с изолированным от полого катода термокатодом (К₁ – разомкнут, см. рис. 2). Такое включение практически не повлияло на давление зажигания и вольт-амперную характеристику разряда.

На основании полученных данных можно сделать заключение, что при включении термокатода, расположенного внутри полого катода и находящегося под его потенциалом, формируется слаботочный несамостоятельный тлеющий разряд с характерным током порядка 10 мА. Основной измеряемый ток переносится электронами непосредственно между накаливаемым термокатодом и анодом. В пользу этого предположения свидетельствует то, что после зажигания газового разряда в режиме стабилизации тока при увеличении эмиссии электронов ток электронов (I_e), поступающий с термокатода, увеличивается, а ионный ток, вызывающий распыление внутренних стенок полого катода, уменьшается. При номинальном токе нагрева термокатода практически весь ток проходит через термокатод, а напряжение разряда уменьшается с нескольких сотен до нескольких десятков вольт. При этом термокатод не перегорает, что имело бы место при большой ионной компоненте за счет распыления нити накала (измеренное значение толщины нити накала – 0.1 мм). Ресурс использованного в экспериментах термокатода в нагретом состоянии составил несколько десятков минут.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для обеспечения работоспособности системы поджига инициирующий разряд термокатод должен быть электрически соединен с сетчатым полым катодом разрядной ячейки системы очистки и располагаться внутри него. Поскольку вакуумная камера ИТЭР имеет значительный объем (1400 м³), быстрое изменение давления для обеспечения поджига разряда в одной из систем очисток, с учетом обеспечения их одновременной работы во всех оптических диагностиках, не представляется возможным. Использование термокатода для инициализации разряда в системе очистки диагностики ИТЭР “Активная спектроскопия” позволяет понизить давление поджига разряда до значений, близких к давлению гашения самостоятельного аномального тлеющего разряда. Это обеспечивает возможность применения в плазменной системе очистки диагностики “Активная спектроскопия” всех разрешенных газов – Ar, Ne, He и D₂. При использовании Ar уменьшение рабочего давления обеспечивает режим максимальной скорости удаления загрязнений (для заземленной конфигурации разрядной ячейки системы очистки). Применение D₂ и He может обеспечить уменьшение доли тяжелых примесей в рабочей DT-смеси реактора ИТЭР. Ресурс поджигающего устройства можно значительно увеличить за счет применения термокатодов увеличенного диаметра, используя режим плавного нарастания тока накала на этапе инициализации и обеспечивая автоматическое его отключение сразу после поджига разряда.