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

Задачи Определение потока примесей: Масс-спектроскопия Доплеровская спектроскопия водорода (H 2 O, C x H y ) Оптическая спектроскопия примесей в пучке SIMS - secondary ion mass spectroscopy Определение источников примесей, контроль состава: Анализ спектра излучения плазменного эмиттера Основные примеси C, O Молекулярные компоненты H 2 O, OH … Возможное наличие металлов, азота и т.д. Диагностика примесей в инжекторе нейтралов

к спектрометру Спектрометр ( монохроматор МУМ ): Спектральный диапазон 400 – 850 нм Дисперсия 3,2 нм/мм Разрешение 0,2 нм Кадр 15 нм ПЗС камера ( ИЯФ, М.Г.Федотов ): 5.84 x 4.94 мм 2 700x516 точек, 14 бит, 800 фотонов / бит Длительность кадра 70 мс – 10 с Схема измерений Стенд диагностических инжекторов

Спектр свечения плазмы ВЧ-эмиттера H H

Спектр свечения плазмы ВЧ-эмиттера H H

Спектр свечения плазмы ВЧ-эмиттера H H

Спектр свечения плазмы ВЧ-эмиттера H H

Спектр свечения плазмы ВЧ-эмиттера H H

Молекулярный спектр водорода (полоса Фалчера)

Молекулярный спектр водорода (полоса Фалчера) Пирс, Гайдон Идентификация молекулярных спектров, 1949 H 2 полоса Фалчера (Fulcher band)

Молекулярный спектр водорода (полоса Фалчера) Пирс, Гайдон Идентификация молекулярных спектров, 1949 H 2 полоса Фалчера (Fulcher band)

Молекулярный спектр водорода (полоса Фалчера) Пирс, Гайдон Идентификация молекулярных спектров, 1949 H 2 полоса Фалчера (Fulcher band)

Свечение плазмы ВЧ разряда Свечение нейтрального пучка (спектрометр HR2000) Дивертор JT-60 (T rot =550 К) n=2 n=3 Структура молекулярного спектра V – колебательное квантовое число J – вращательное квантовое число Q branch: J=0 Возможность идентификации линий примесей определяется фоном свечения молекулярного водорода Молекулярный спектр водорода содержит информацию о вращательной температуре нейтрального газа (T rot =320 К)

Спектр разряда в гелии Гелий Водород H H

Спектр разряда в гелии Гелий Водород H H

Спектр разряда в гелии Гелий Водород H H

Спектр разряда в гелии Гелий Водород

Спектр разряда в гелии Гелий Водород O I CaH? ??? молекулярный водород

Спектральные линии примесей в ВЧ разряде кислород

O I E u =10,7 эВ O I E u =10,9 эВ O I E u =14 эВ Te=1 эВ Спектральные линии примесей в ВЧ разряде кислород

O I E u =10,7 эВ O I E u =10,9 эВ O I E u =14 эВ Te=1 эВ Te=2 эВ Спектральные линии примесей в ВЧ разряде кислород

Спектральные линии примесей в ВЧ разряде кислород

Динамика содержания примесей O I

Динамика содержания кислорода O I

Динамика содержания кислорода O I

TAE Динамика содержания кислорода O I

Динамика содержания кислорода влияние тренировки Длина волны, нм O I H H H до тренировки после тренировки 15 мин после тренировки Тренировка плазменного эмиттера длинными (1 с) ВЧ-разрядами приводит к уменьшению интенсивности свечения кислорода в 2 раза Эффект прогрева сохраняется в течение продолжительного времени

Номер выстрела Интенсивность, о.е. Динамика содержания кислорода

Номер выстрела Интенсивность, о.е. Динамика содержания кислорода

Время, ч Динамика содержания кислорода влияние прогрева Прогрев лайнера приводит к увеличению содержания кислорода Прогрев Основным источником кислорода являются элементы плазменной камеры

O I E u =10,7 эВ O I E u =10,9 эВ O I E u =14 эВ Te=1 эВ Спектральные линии примесей в ВЧ разряде углерод

Спектральные линии примесей в ВЧ разряде углерод

С I E u =9,2 эВ С I E u =10,4 эВ Te=1 эВ Спектральные линии примесей в ВЧ разряде углерод

С I E u =9,2 эВ С I E u =10,4 эВ Te=1 эВ Te=2 эВ Спектральные линии примесей в ВЧ разряде углерод O I 777 нм E u =10.7 эВ T=1эВ =1.7* см 3 /с С I 833 нм E u =9.2 эВ T=1эВ =1.7* см 3 /с Оценка соотношения концентраций кислорода и углерода в разряде дает значение n c /n O ~0.03

SIMS анализ содержания примесей углерод Глубина, нм Концентрация, см -3 Кремниевая подложка Пучок 47.5 кэВ, 1.8 А, 20 имп. 3 мс С, без геттера O, без геттера С, c геттером O, c геттером

Гелий Водород O I CaH ??? Молекулярные полосы примесей

Гелий Водород O I CaH ??? Молекулярные полосы примесей

Длина волны, нм Интенсивность, о.е. CaH Разряд Ne (калибровка) Молекулярные полосы примесей Пирс, Гайдон: "… наблюдаются в дугах с кальцием в водороде…"

Динамика содержания примесей O I

O I Динамика CaH

Длина волны, нм Динамика CaH

Длина волны, нм TAE Динамика CaH

Спектроскопия свечения атомарного пучка Спектрометр HR2000 сумма по 300 выстрелам H E E/2 E/3 E/18

Спектроскопия свечения атомарного пучка

Пучок TAE 23 кВ, 8 А, 15 мс Длина волны, нм Определение абсолютного значения потока примесей: Основная проблема – отсутствие данных по сечениям возбуждения ионов Напуск контролируемого количества примесей Сравнение интенсивностей доплеровски смещенных линий примесей

V/V max dJ/dV, о.е. Спектроскопия свечения атомарного пучка Пучок TAE 23 кВ, 8 А, 15 мс Определение абсолютного значения потока примесей: Основная проблема – отсутствие данных по сечениям возбуждения ионов Напуск контролируемого количества примесей Сравнение интенсивностей доплеровски смещенных линий примесей E max /E Интенсивность, о.е.

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