Формирование экранирующего слоя и процессы переноса энергии при взаимодействии интенсивных потоков высокотемпературной плазмы с твердотельными материалами

В.1. Объект исследования.

Изучение эффектов, сопровождающих взаимодействие плазмы с твёрдотельными телами, началось с появлением первых плазменных установок и продолжается до сих пор. Обнаружилось, что под воздействием плазмы вблизи поверхности могут происходить многочисленные взаимосвязанные процессы энергетического, массового и зарядового обмена частиц плазмы с атомами материала. Результатом воздействия плазмы на мишень является десорбция атомов и молекул с поверхности тела, распыление и испарение материала мишени, изменения структуры и фазового состояния материала, образование на поверхности новых химических соединений и т. д. С другой стороны, наличие мишени отражается на характеристиках плазмы, влияет на её температуру, химический и ионизационный состав, излучательную способность, может приводить к развитию плазменных неустойчивостей [1]. При этом, в свою очередь, могут измениться потоки частиц и излучения на поверхность мишени. Таким образом, взаимодействие плазмы с материалами носит сложный характер, и значимость того или иного процесса, сопровождающего взаимодействие, определяется всей совокупностью характеристик плазмы и свойств мишени, а. также конкретными условиями проведения эксперимента.

Во многих случаях, однако, удобно выделить ключевые параметры взаимодействия, разбивающие всё многообразие характеристик плазмы на несколько категорий, в каждой из которых доминирующими становятся свои процессы. В качестве определяющих параметров можно рассмотреть характерную энергию частиц и поток энергии из плазмы на поверхность. При такой классификации выделяются потоки низкои высокотемпературной плазмы, которые могут быть как небольшой, так и значительной мощности.

Предметом изучения в диссертационной работе является взаимодействие с мишенью в том случае, когда поток образует достаточно плотная высокотемпературная плазма, обладающая, таким образом, большой плотностью тепловой энергии. Тем не менее, в начале имеет смысл кратко остановиться на трёх других категориях вышеприведённой классификации.

Наибольшее число исследований (например, [2−4]) посвящено взаимодействию с поверхностью низкотемпературной плазмы (НТП), образующей поток относительно небольшой плотности мощности. Характерная кинетическая энергия частиц такой плазмы £<10э5- тот же порядок имеет потенциальная энергия ионов — энергия рекомбинации. Огромное разнообразие установок и приборов, использующих НТП небольшого давления, предопределяет основной интерес к плазме с небольшими тепловыми потоками. Основное внимание уделяется явлениям в приэлектродной области установок с газоразрядной плазмой и влиянию приповерхностных явлений на процессы, происходящие в объёме плазмы.

При использовании НТП атмосферного давления её тепловая энергия достаточна для интенсивного нагрева и даже испарения материалов. В этом случае наряду с явлениями, происходящими в НТП небольшого давления, возможен новый класс процессов, связанный с интенсивным поступлением в приповерхностную плазму материала мишени в виде атомов, кластеров или мелкодисперсных частиц. Мощное термическое воздействие плазмы возникает при плотности тепловых потоков более 0.2-г 0.5 кВт/см2 и в основном исследуется применительно к технологическим установкам, использующим плазму как теплоноситель или/и носитель химически активных веществ. Типичным генератором плазмы данного типа является плазмотрон. Плазму плазмотрона используют для резки и соединения материалов, поверхностной обработки, получения ультрадисперсных порошков, также её применяют для проведения неравновесных плазмохимических реакций [5,6].

Действие высокотемпературной (в эту категорию будем относить плазму с энергиями частиц от сотни эВ до десятков кэВ) плазмы на материалы изучалось, прежде всего, в контексте работ по управляемому термоядерному синтезу. В установках с магнитным удержанием плазмы взаимодействие плазмы со стенкой носит в основном нежелательный характер: образующиеся ионы материала стенки увеличивают темп радиационного охлаждения плазмы. Естественно, поэтому, что основное внимание было привлечено к случаю, когда плазма двигалась на стенку поперёк силовых магнитных линий, и тепловая нагрузка на элементы первой стенки предполагалась небольшой. Уже в первых теоретических работах [7−9] было показано, что вблизи стенки образуется слой плазмы, в котором происходит циркуляция частиц. Это явление, получившее впоследствии название «рециклинг», возникает из-за того, что поверхностный слой материала захватывает большое количество падающих ионов и при дальнейшей бомбардировке происходит высвобождение захваченных частиц, а не распыление материала стенки. Рециклинг приводит к многократному превышению потока частиц на стенку по сравнению с потоком из горячей области плазмы. В результате уменьшается энергия взаимодействующих с поверхностью частиц и резко снижается скорость эрозии стенки. В последующих исследованиях теория прйстеночной плазмы была значительно расширена за счёт включения процессов, характерных для плазмы вблизи лимитеров и диверторов таких установок, как токамаки и стеллараторы (см., например, обзоры [10−13]). Во всех существующий моделях рециклинг изотопов водорода является ключевым фактором, определяющим перенос частиц и энергии в приповерхностной плазме токамаков. На квазистационарной стадии разряда основным источников примесей в пристеночной плазме является физическое распыление [13, с. 154], и потому процент примесей в плазме оказывается относительно небольшим. Для этого требуется, чтобы рабочая температура даже термически наиболее нагруженных элементов материальной стенки токамака — диверторных пластин — была гораздо ниже порога радиационно-стимулированной сублимации [11]. Соответственно, ограничивается максимально допустимый тепловой поток из плазмы на диверторные пластины. Например, разрабатываемая для токамака-реактора ИТЭР система принудительного охлаждения пластин способна в стационарных условиях отвести от их поверхности не более 0.5 -ь 1 кВт /см2 [14].

При повышении тепловой нагрузки температура поверхности материала увеличивается до температуры кипения, начинается испарение, сопровождаемое интенсивной инжекцией атомов мишени в плазму. Появление значительного количества атомов и ионов материала в приповерхностном плазменном слое меняет его характеристики, что приводит к перестройке процессов переноса энергии в этом слое. Характерной чертой взаимодействия интенсивного потока высокотемпературной плазмы (ИПВП) с материалами является присутствие в непосредственной близости мощного резервуара энергии (кинетическая энергия высокотемпературной водородной плазмы) и не менее мощного конвертера, способного её преобразовывать. Конвертером служат ионы со средним или большим X, способные, во-первых, переводить энергию из кинетической в потенциальную в процессе обдирки ионов, и, во-вторых, переизлучать энергию в том или ином диапазоне электромагнитных волн. Наряду с плазменной частью рассматриваемой задачи требуется учитывать также наличие твёрдотельной мишени, являющейся не только приёмником энергии и импульса плазмы, но также и источником нового плазменного вещества. Таким образом, изучение данного типа взаимодействия плазмы с веществом требует рассмотрения переноса энергии в веществе в условиях, когда его температура меняется в широких пределах — от долей эВ до нескольких кэВ. Для этого необходим учёт разнородных, но взаимозависимых процессов: передачи энергии от водородной плазмы ионам с большим 2, интенсивного излучения таких ионов, переноса излучения в плотной плазме, испарения и ионизации вещества мишени, переноса энергии на поверхность мишени, механизмов разрушения (эрозии) поверхности мишени, теплопередачи в конденсированном веществе.

В.2. Актуальность проблемы.

До недавнего времени систематические исследования взаимодействия высокотемпературной плазмы большой мощности с твёрдотельными мишенями не проводились. К концу 80-х годов XX века в этой области физики плазмы существовали только разрозненные экспериментальные факты, полученные на разнородных установках, и весьма приблизительные и, как выяснилось позднее, во многом неточные теоретические представления.

Повышенный интерес к исследованию данного вида взаимодействия «плазма/поверхность» возник в начале 90-х годов и был инициирован окончанием стадии концептуальной разработки токамака-реактора ИТЭР[15] и началом стадии инженерного проектирования. К этому времени ясно обозначилась проблема, связанная с воздействием плазмы на элементы первой стенки и дивертора токамака (plasma facing components) во время срыва тока.

Дело в том, что энергозапас плазмы в проектируемом токамаке составляет 600 МДж [16]. На тепловой стадии срыва тока (thermal quench phase) за время 0.1−3 мс около 80% энергии плазмы может быть выброшено на стенки реактора. Наибольшие тепловые нагрузки ожидаются в тех местах, где силовые линии пересекаются с поверхностью. В токамаке ИТЭР, обладающим диверторной конфигурацией магнитного поля, наиболее нагруженными оказываются приёмные диверторные пластины. Согласно расчётам [16−19], на квадратный сантиметр поверхности пластин может прийтись в зависимости от сценария срыва от 1 до 10 кДж тепловой энергии плазмы. Предполагаемая при этом тепловая нагрузка составляет 1-т-ЮО МВт/см2. Ни один материал не способен противостоять таким потокам энергии без эрозии поверхности, потому условия в диверторе во время срыва будут соответствовать рассмотренному выше случаю взаимодействия потока высокотемпературной плазмы большой мощности с твёрдотельной мишенью.

Первые расчёты эрозии диверторных пластин [17] проводились в предположении, что при срыве половина теплового потока плазмы достигает.

Т-,, ог. мкм-см2 поверхности. Полученная величина эрозии (80- для графитовои кДж мкм-см2 пластины и 85- для вольфрамовой) оказалась совершенно кДж неприемлемой с точки зрения практической реализуемости проекта ИТЭР, поскольку в этом случае только на стадии физического запуска токамака потребовалось бы десятки раз произвести трудоёмкую замену диверторных пластин. Проведённая следом с помощью лазерных и электронных пучков [2022] имитация срывных тепловых потоков только усилила пессимизм, так как.

ТЛ^г, мкм-см2 «мкм-см2 выявила скорости эрозии 70 ч- 220- для графитовои и 25-для кДж ' кДж вольфрамовой мишеней. Стало ясно, что перспективы реализуемости проекта ИТЭР во многом зависят от того, можно ли гарантировать приемлемую величину эрозии диверторных пластин во время срывов. В противном случае необходимо искать подходы к работе токамака совсем без срывов, что представляется затруднительным при сегодняшнем понимании физики больших токамаков [23].

Таким образом, необходимость моделирования условий в диверторе токамака ИТЭР во время срывов не вызывает сомнений. Тем не менее, ни одна из имеющихся в настоящее время экспериментальных установок не в состоянии в полном объёме воспроизвести условия облучения мишеней, имеющие место при срывах в ИТЭР. Более того, сами эти условия на сегодняшний день остаются в большой степени неопределёнными. В данной ситуации задача экспериментального моделирования срыва в ИТЭР на других плазменных установках может быть сформулирована следующим образом: изучение физики взаимодействия интенсивных потоков плазмы с твёрдотельными мишенями в условиях, максимально приближенных к условиям токамака. Особое внимание должно быть обращено на выявление параметров облучения, оказывающих наибольшее влияние на процесс взаимодействия «плазма-поверхность», в частности на величину эрозии облучаемой мишени.

Второй задачей, стимулирующей исследования взаимодействия ИПВП с материалами, является разработка физических основ плазменных технологий [24]. Модификация поверхности материалов традиционно является одним из эффективных методов улучшения их потребительских свойств. В последнее время, наряду с модификацией материалов традиционными способами (механическими, химическими, химико-термическими, электрохимическими), всё более широкое распространение получают электрофизические методы обработки, в том числе обработка материалов высокотемпературными импульсными потоками плазмы [25−27]. Большинство работ, ведущихся в этой области, сосредоточены на изучении поверхностного слоя материала, обработанного потоками плазмы, и эмпирическом подборе условий облучения, дающих необходимый эффект. Вместе с тем, представляется важным исследование не только самой поверхности, но и приповерхностного плазменного слоя, поскольку от его характеристик зависит передача энергии от потока плазмы к облучаемой мишени. Знание механизмов переноса энергии к поверхности и закономерностей влияния эрозии поверхности на такой перенос является важным фактором для оптимизации процесса обработки поверхности, быстрого нахождения режима облучения, эффективно реализующего ту или иную плазменную технологию.

Наконец, третий фактор, влияющий на актуальность изучения воздействия ИПВП на твёрдотельные мишени, связан с упомянутым выше мощным конвертером энергии налетающего потока — сильно излучающей плазмой ионов с большим Ъ. Заранее можно сказать, что наличие такой плазмы сближает изучаемый процесс взаимодействия ИПВП с материалами с типичными процессами радиационной плазмодинамики: радиационноплазмодинамическими разрядами эрозионного типа и взаимодействием мощного электромагнитного (когерентного и теплового) излучения с конденсированными средами [28]. Следовательно, в исследованиях оказываются затронуты такие актуальные задачи радиационной плазмодинамики [29], как изучение физических принципов генерации высокояркого коротковолнового (УФ-, ВУФи МР-) излучения и разработка эффективных плазменных излучателей, широкополосных либо работающих в узкой области спектра. Потребность науки и промышленности в таких источниках излучения чрезвычайно велика. Достаточно упомянуть создание новых технологических процессов в микрои наноэлектронике на основе фотолитографии высокого разрешения и рентгеновскую микроскопию живых биологических объектов в области «водяного окна» (23-^-46 А). По этой причине значительное внимание в диссертационной работе уделено изучению спектральных и энергетических характеристик излучения приповерхностной плазмы.

В.З. Обзор работ по теме исследования.

В конце 70-х — начале 80-х годов XX века появилось несколько экспериментальных и теоретических работ, посвященных взаимодействию интенсивных потоков высокотемпературной плазмы с твёрдотельными материалами. Предметом изучения послужили явления, имеющие место в установках с магнитным удержанием плазмы — тета-пинчах и токамаках.

В работах [30−33] рассматривался вопрос о возможности уменьшения концевых потерь из линейных тета-пинчей при использовании материальных концевых мишеней-пробок. Эксперименты были выполнены на установке Scylla IV-P. В момент максимума поля параметры удерживаемой плазмы (и = 1.5−1016 см'3, Г =550 эВ, Т: =2.7 кэВ) соответствовали тепловой нагрузке на поверхность мишеней порядка 300 МВт/см2, что неизбежно вызывало интенсивную эрозию мишени и появление плотного слоя приповерхностной плазмы. Обнаружено [31, 32], что наличие мишеней из дейтерида лития более, чем в 3 раза увеличивает время удержания энергии в системе, в то время как для других материалов (нитрид бора, кварцевое стекло) этот эффект невелик (20−30%). Авторы [30−32] объясняли этот эффект упругим отражением назад ионов дейтерия от ионов мишенной плазмы. Необходимым условием такого отражения явилось бы относительно небольшая скорость торможения на электронах, что выполняется только, если температура мишенной плазмы Те > 50 эВ. Прямые измерения электронной температуры методом лазерного рассеяния авторам провести не удалось из-за интенсивного собственного излучения мишенной плазмы [32], а косвенные оценки [33] дали результат, противоположный ожидаемому: температура сильноизлучающей плазмы у поверхности мишени из кварцевого стекла оказалась равна Г =25 эВ (причём эта плазма хорошо удерживается магнитным полем величиной 40 кГс), в то время как вблизи мишени из дейтерида лития Г =эВ (при этом приповерхностная плазма легко выдавливается на периферию поперёк линий магнитного поля). Таким образом, гипотеза о механизме экранирования поверхности за счёт упругого отражения энергичных дейтонов от плотного слоя мишенной плазмы не получила своего экспериментального подтверждения, и характер экранирования остался нераскрытым. В то же время сам эффект экранирования проявился очень ярко — измеренная величина эрозии кварцевой мишени (0.3 мкм) более чем в 1000 раз меньше ожидаемой в том случае, когда все энергичные дейтроны доходят до поверхности [33].

В предыдущей серии статей главной задачей было исследование способа защиты горячей плазмы от нежелательного охлаждающего влияния стенок. Несколько с другой точки зрения процесс взаимодействия рассмотрен в работах, связанных с инжекцией твёрдотельных крупинок в высокотемпературную плазму токамаков или стеллараторов. В плазме токамака тепловые нагрузки на поверхность крупинок доходят до десятков МВт /см2, однако до своего полного испарения они успевают пролететь довольно большое расстояние (порядка метра [34]), что было бы невозможно, если бы не существовал эффект самоэкранирования макрочастицы — идея, обсуждавшаяся ещё на заре термоядерной программы Спицером и Тонксом [35]. Большинство работ посвящено криогенным водородным макрочастицам, обеспечивающим подпитку плазмы новым веществом в период её удержания. Помимо того, в серии работ [36−38] изучалось испарение тугоплавких макрочастиц с целью развития новых методов диагностики высокотемпературной плазмы.

В работе [38] углеродная крупинка диаметром 0.5 мм инжектировалась вдоль малого радиуса токамака Т-10 со скоростью 104 см/с. Построенная в [38] аналитическая модель испарения частицы, хорошо описывающая экспериментальные данные, показывает, что энергия на поверхность макрочастицы доставляется в основном электронами. Экранирование поверхности углеродной крупинки разлетающимся облаком нейтралов довольно слабое — они поглощают не более 50% энергии потока электронов. Что касается плазмы, формирующейся при ионизации нейтралов, то она практически не принимает участие в экранировании, что связано с полоидальным вращением плазмы токамака со скоростями 105 ч-106 см / с. В результате, образующаяся углеродная плазма быстро (за время меньше 0.5 мкс) смещается с силовых линий, вдоль которых в текущий момент происходит воздействие электронов, и плазменного экранирования теплового потока не происходит.

Анализ различных моделей абляции криогенных водородных макрочастиц, проведённый в [34, 39], подтвердил вывод, что плазменное экранирование не вносит существенный вклад в скорость абляции. Оказалось, что одна из первых моделей [40, 41], предложенная ещё в 70-х годах и учитывающая только газовое экранирование (neutral gas shielding (NGS-) model), адекватно описывает большинство экспериментальных данных, полученных на токамаках. Таким образом, можно сделать вывод, что эрозия макрочастиц в плазме токамака происходит в специфических условиях чрезвычайно быстрого сдува слоя ионизирующихся паров, и потому подобные эксперименты не могут дать информацию о величине эрозии и параметрах приповерхностной плазмы в условиях, когда перед облучаемой мишенью плазма паров присутствует.

Ещё одной областью, где исследователи столкнулись со значительными тепловыми потоками из плазмы на материалы, явились работы по стеночному удержанию плазмы. В таких экспериментах высокотемпературная плазма с (5> 1 непосредственно контактирует с металлическими стенками окружающего его лайнера, а магнитное поле, параллельное поверхности лайнера, используется только для подавления поперечной теплопроводности плазмы [42]. Из экспериментальных работ стоит отметить исследования на электромагнитной ударной трубе Колумбийского университета, в которых с помощью скоростного (временное разрешение — 200не) ИК-болометра был измерен тепловой поток из плазмы на стенку [43−45]. Оказалось, что дейтериевая плазма с параметрами пе = 1016 см~3, Г да 500 эВ, Те да 30 эВ, помещённая в поле В -9 кГс и приведённая в контакт со стенкой, обеспечивает в первые несколько микросекунд поток энергии на стенку 100 + 300 кВт/см2. Эрозия материала стенки зависела от его теплопроводности: медные образцы оказались практически неповреждёнными, в то время как образцы из нержавеющей стали сильно эродировали. Измеренный поток энергии практически совпал с теоретическими оценками, проделанными для классического переноса тепла поперёк поля, что дало основание авторам [45] заявить о том, что пристеночный слой не является неустойчивым или турбулентным, и его свойства могут быть описаны на основе классических коэффициентов переноса. К сожалению, определение параметров пристеночной плазмы не входило, по-видимому, в задачу исследователей, и потому осталось неясным, как интенсивная эрозия стенки могла изменить процессы в приповерхностном слое.

В теоретических работах [46−48] изучалась возможность снижения катастрофической эрозии элементов перспективного токамака (лимитера или приёмных пластин дивертора) в условиях срывов. Для этой цели А. Сестеро предложил использовать «виртуальный лимитер» — плотную холодную плазму с большим Z, формирующуюся вблизи поверхности лимитера за счёт испарения его материала. В [46] определены условия, при которых энергичные ионы и электроны будут полностью тормозиться в плазме «виртуального лимитера» и переизлучать свою энергию на ионах с большим Z. Энергия оказывается рассредоточенной по большой площади, чем и достигается требуемая степень защиты поверхности лимитера. В последующих работах [47, 48] было показано, что «виртуальный лимитер» не требуется создавать искусственно, во многих случаях он быстро возникает сам по себе в начальный период срыва. Модельные формулы, использующиеся в [46−48], имели несколько свободных параметров и не позволяли напрямую вычислить характеристики мишенной плазмы по параметрам налетающего плазменного потока. Главная роль, которую сыграли эти работы, заключалась в привлечении внимания к эффекту самоэкранирования поверхности, эродирующей под действием мощного потока плазмы. Кроме того, было показано, что возможен нагрев плазмы «виртуального лимитера» до температуры 10-^20э£ даже для тяжёлых элементов (например, молибдена).

Идеи Сестеро получили развитие в работах [49−53]. Например, в [49], по-видимому, впервые был введён термин «экранирование испарением» (vapour shielding), получивший впоследствии широкое распространение. В ряде статей было убедительно доказано, что поток «горячих» ионов и электронов должен тормозиться в «холодной» пристеночной плазме, вызывая её нагрев и расширение навстречу потоку. Оказалось, однако, что аналитическое рассмотрение этого процесса встретило большие трудности. Они связаны с тем, что перенос энергии в слое «холодной» плазмы в значительной мере обусловлен излучением. Перенос излучения зависит от параметров плазмы, а они, в свою очередь, определяются энергией, доходящей до поверхности и вызывающей её эрозию. Таким образом, небольшие ошибки в определении потока энергии на стенку могут приводить к существенным ошибкам в определении параметров пристеночной плазмы.

В качестве примера можно рассмотреть результаты постепенно совершенствующихся расчётов [54−57]. Было показано, что величина эрозии существенно зависит от точности представления спектра плазмы. Переход от одногруппового метода учёта переноса излучения (т.е. от приближения «серого тела») к многогрупповому (50 спектральных групп) привёл к уменьшению эрозии в 3 раза. Более точный расчёт с использованием 750 групп показал величину эрозии ещё в 2 раза меньше. Соответствующим образом изменились и параметры плазмы. Если в первых расчётах плазма паров имела температуру 2-т-АэВ (при облучении потоком 10 МВт/ см1), то впоследствии она увеличилась до 3 + 7 эВ для тяжёлых (вольфрам) и до 4-ПО эВ для лёгких (графит) элементов материала мишени. Позднее в расчётах было учтено влияние смешения водородной плазмы и плазмы паров на оптические характеристики приповерхностного плазменного слоя, что привело к дальнейшему росту температуры [57].

В конце 80-х — начале 90-х годов были проведены эксперименты по облучению твёрдотельных мишеней мощными плазменными потоками, генерируемыми плазменными ускорителями.

В работе [58, 59] мишень из нержавеющей стали облучалась я л (я сверхзвуковым потоком водородной плазмы с р «1 (здесь и далее: р =-—, В где: Р = пс (Те+Т) — Ве — внешнее по отношению к плазме магнитное поле), генерируемой мощным импульсным коаксиальным ускорителем на установке МК-200 [60]. Параметры потока (у = 4 • 107 см/с, пе = 8 • 1015 см'3, Г +Т =250 эВ) соответствовали тепловой нагрузке на поверхность мишени 70 МВт/см2- взаимодействие происходило в магнитном поле величиной 9 кГс. Обнаружено, что на нагрев мишени расходуется не более 10% энергии потока. Вблизи поверхности мишени наблюдался слой плотной холодной плазмы пе ~ 1018 см 3, Г «5 эВ), отходящий от поверхности со скоростью 4 • 105 см/с.

Спектральные исследования состава слоя не проводились. Количественный анализ полученных результатов и численное моделирование условий эксперимента сильно затруднялись обтеканием мишени плазмой, что явилось результатом формирования в налетающем потоке бесстолкновительной ударной волны [58] и существенно двумерным характером течения плазмы за её фронтом.

Эрозия мишеней при облучении плазменными потоками квазистационарных (г"100л!/сс) ускорителей была изучена в работах [61−63] на двух похожих установках ВИКА [64] (НИИЭФА, Санкт-Петербург) и РЬАБ18 (Университет Нью-Мексико, США). Мишени располагались невдалеке от торца ускорителя в области радиальной компресии плазменного потока, где достигалась значительная плотность мощности теплового потока 2. ,. 9 /п, мкм • см.

10 -^20 МВт/см". Обнаруженные величины эрозии (8-ИЗдля кДж графитовой и 0.5 0.8 МКМ °М для вольфрамовой мишени) свидетельствовали кДж об эффективном экранировании поверхности, и потому эти экспериментальные данные (наряду с другими, полученными на установках МК-200, 2МК-200 и КСПУ) привели к пересмотру результатов расчётов [15] и выводу [65] о том, что срывная эрозия диверторных пластин не так опасна, как это представлялось раньше. Следует, однако, отметить, что такие данные были получены в условиях сильного обтекания мишени плазменным потоком. Измеренные параметры потока V = 1.2¦ 107 см/с, пе = 5−1017 см'3, Те+Т (&эВ соответствуют ситуации, когда на мишень налетает сверхзвуковая (М>3) струя столкновительной (/7″ «10~4 см) плазмы, поэтому перед мишенью формируется головной скачок уплотнения, с которым в дальнейшем взаимодействует отходящий от поверхности слой плазмы паров. Низкая температура налетающей плазмы приводит к тому, что даже в сильном магнитном поле {В = 30 кГс) электронная компонента оказывается незамагниченной (т» ¦ mL < 1), и потому магнитное поле не должно влиять на движение плазмы. В результате, во-первых, взаимодействие плазмы с поверхностью происходит в условиях, совершенно не характерных для диверторной плазмы токамака, и, во-вторых, для моделирования такого взаимодействия требуется по существу новые расчётные коды, и потому тестирование имеющихся программ путём сравнения расчетов с данными экспериментов на квазистационарных ускорителям затруднительно. Более того, как показали последующие измерения [66], в спектрах ВУФ излучения пристеночной плазмы совершенно не присутствуют линии, характерные для ионов материала мишени (углерода и вольфрама), зато наблюдаются линии фтора высокой кратности ионизации, источником которых является материал изолятора ускорителя — тефлон. Причина отсутствия линий углерода и полного доминирования линий фтора выявлена не была, поэтому численное моделирование такой ситуации оказалось невозможным.

В дальнейшем были также проведены эксперименты с мощными квазистационарными ускорителями КСПУ (ТРИНИТИ, Троицк) [67] и КСПУ Х-50 (ХФТИ, Харьков) [68], в которых реализована схема ионного токопереноса, предложенная А. И. Морозовым [69] и позволившая увеличить длительность потока до 150 -f 600 мкс. В экспериментах [70, 71], где взаимодействие с мишенью происходило в магнитном поле 0 -ь 7 кГс, при тепловом потоке 1.5 -г- 20 МВт/см2 была зарегистрирована удельная эрозия. Л мкм • см2. .. мкм • см2 .

0.4 ч- 2- для графитовои и 1.5- для вольфрамовой мишени. кДж кДж.

Электронная температура пристеночной плазмы при этом оказалась равной 2ч-3 эВ [72]. Было обнаружено обтекание мишени как налетающим потоком [72], так и образующейся мишенной плазмой [70, 72]. Таким образом, описанные эксперименты на КСПУ и КСПУ Х-50 также продемонстрировали эффективность экранирования, но оказались сложны для численного моделирования и далеки от ситуации в ИТЭР.

Сам по себе эффект экранирования не является исключительной чертой взаимодействия мощных плазменных потоков, и проявляется также и в экспериментах с умеренными тепловыми потоками. Например, в [73] сообщается о небольшой величине удельной эрозии графитовой мишени мкм-см2.

13- при длительном (20 мс) облучении потоком плазмы мощностью кДж кВт всего 25-Для возможности экстраполяции результатов экспериментов см гораздо большее значение, чем сама величина эрозии, имеет выяснение механизма экранирования, исследование энергетических каналов диссипации энергии, поглощённой плазмой экранирующего слоя (далее — ЭС). С этой точки зрения интересны экспериментальные результаты, полученные при облучении мишеней потоками излучения, и те выводы, которые можно сделать из их анализа.

В работах [74−76] изучалось воздействие излучения сплошного спектра на твёрдое вещество. Источником излучения служила сильная ударная волна (УВ), образуемая в результате взрыва заряда взрывчатого вещества с кумулятивным каналом, наполненным инертным газом. В ксеноне фронт УВ имел яркостную температуру 3 + 5 эВ. На мишень, установленную перед фронтом, в течение.

5-ПО мкс воздействовал лучистый поток величиной до Ж НОН5 МВт! см2. Спектр излучения УВ в условиях эксперимента был близок к планковскому, за исключением коротковолновой части (Л <1000 А), которая не проходила сквозь холодный газ между фронтом и мишенью. Было обнаружено, что под действием излучения у поверхности мишени образуется светящаяся область, которая со временем расширяется со скоростью К = (0.4Н.1)• 10ъсм/с, зависящей от величины лучистого потока и материала мишени. В спектре светящейся области найдены линии материала мишени, в основном нейтральных атомов и молекул, а также однозарядных ионов. Измерения яркостной температуры паров в разных спектральных диапазонах дали величину порядка 1 эВ. Как показано в [74, 77, 78], образование достаточно горячего приповерхностного слоя объясняется тем, что независимо от начальной прозрачности паров при большой интенсивности падающего излучения за счёт ультрафиолетовой части спектра происходит разогрев паров до температуры, при которой они интенсивно ионизуются. При этом эффективным становится тормозное поглощение квантов излучения оптического и инфракрасного диапазона, и слой паров оказывается практически непрозрачным для падающего излучения. Испарение мишени не прекращается, поскольку излучают сами нагретые пары. Интенсивность и спектральный состав этого излучения определяются не столько первичным излучением, сколько оптическими свойствами испарённого вещества. Энергия, приходящая на поверхность, определяется процессами переноса излучения в слое паров. Экспериментальное доказательство экранирования поверхности было получено в опыте [76], где через небольшое отверстие в мишени регистрировалось излучение, доходящее до поверхности. Оказалось, что в первые моменты времени яркостная температура совпадает с температурой фронта У В, но затем наступает резкое её снижение до 0.6 -г 0.9 эВ, что объясняется экранирующим действием сомкнувшихся над отверстием паров. Измеренное уменьшение температуры соответствует уменьшению потока энергии на поверхность мишени более, чем в 100 раз. В описываемых экспериментах было также измерено давление плазмы паров, для чего использовался пьезодатчик, встроенный в облучаемую мишень. Оказалось [76], что давление паров не зависит от давления инертного газа и определяется только лучистым потоком от фронта УВ и материалом мишени. С увеличением лучистого потока до 15 МВт/см1 давление на поверхности алюминиевой мишени возрастает до Р = 32 атм.

Таким образом, под воздействием оптического излучения сплошного спектра мощностью порядка 10 МВт/см2 происходит формирование плазменного слоя с характерными параметрами Т = эВ и п1. = 1019 см'', экранирующего поверхность облучаемой мишени. Экранирование поверхности идёт за счёт преобразования энергии излучения в потенциальную и кинетическую энергию плазмы паров, при этом происходит постоянное расширение слоя паров. Необходимую скорость расширения можно оценить, исходя из баланса мощности и предполагая, что плазма паров однократно V ионизована: V = —?-^, где: х ~ потенциал ионизации атома вещества X Л Р.

К2 +2 Тмишени. Для алюминиевой мишени эта оценка даёт величину (0.7-И.0)• 105 см! с, что совпадает с измеренным значением скорости. Роль переизлучения энергии в процессе экранирования мала, поскольку для измеренной температуры даже для планковского излучателя: <тТ4 «ОАМВт/см2.

Анализ приведённых работ по теме исследования показал, что:

• экранирование поверхности, заключающееся в многократном уменьшении мощности, достигающей поверхности мишени, по сравнению с падающей мощностью, наблюдается в целом ряде экспериментов по воздействию интенсивных потоков плазмы и излучения на твёрдотельную мишень;

• в большинстве экспериментов экранирование осуществляется за счёт плазмы испарённого вещества, но и сам нейтральный пар может обладать экранирующими свойствамимкм-см2 .

• величина удельной эрозии (-) мишени зависит от условии кДж проведения эксперимента: характеристик налетающего плазменного потоканаличия сильного магнитного поля, затрудняющего обтекание мишениразмера области взаимодействия и геометрии облучения (плоская, сферическая);

• согласно экспериментальным данным температура плазмы ЭС составляет Те = 1 -ь 5 эВ, согласно численным расчётам она не превышает Те = 5 -ПО эВ, в то же время есть теоретические соображения, что она может быть значительно больше. Стоит отметить, что во всех случаях, когда измерялась температура плазмы ЭС, не исключена была значительная боковая потеря массы ЭС за счёт обтекания мишени;

• механизмы экранирования поверхности от плазменного потока в эксперименте определены не были. Численные расчёты показывают, что важную роль здесь играет излучение плазмы ЭС, которое определяет как диссипацию энергии в окружающее пространство, так и перенос энергии на поверхность мишени. Согласно расчётам для тяжёлых элементов (например, меди, вольфрама) переизлучение энергии происходит в сплошном спектре, для лёгких (например, графита) имеет место комбинация линейчатого излучения и континуума;

• в случае облучения мишени УФ излучением (практически) сплошного спектра измерен коэффициент экранирования, равный примерно 100. Механизмом экранирования в этом случае является, по всей видимости, преобразование энергии излучения в потенциальную и кинетическую энергию плазмы паров, при этом происходит постоянное расширение ЭС;

• систематических измерений доли энергии, приходящей на поверхность облучаемой плазмой мишени, произведено не было. Не выяснен механизм переноса энергии на мишень. Расчёты показывают, что перенос энергии происходит через тонкий слой пара, поэтому энергия на поверхность доставляется излучением, причём спектр излучения практически совпадает с планковским;

• экспериментального исследования энергетического баланса процесса взаимодействия «плазма-поверхность», сопровождающегося независимым определением роли каждого из энергетических каналов, не производилось.

3 ^ 1 И 1.

3 ^ 1.

В.4. Цель исследования, направления и методы решения.

Предметом изучения настоящей работы является экранирующий слой, формирующийся при взаимодействии мощных потоков высокотемпературной плазмы с твёрдотельными мишенями. Основная цель состоит в экспериментальном изучении свойств экранирующего слоя и исследовании переноса энергии в этом слое.

С точки зрения преобразования энергии взаимодействие происходит следующим образом. На первой, очень короткой, стадии налетающий водородный поток передаёт свою энергию, представляющую собой сумму кинетических энергий электронов и протонов (энергией рекомбинации ионов водорода можно пренебречь), непосредственно поверхностному слою мишени. Слой нагревается, эродирует и образующиеся атомы и ионы формируют приповерхностный плазменный слой. Через некоторое время слой В) приобретает экранирующие свойства, т. е. он начинает поглощать большую часть энергии налетающих ионов и электронов. В дальнейшем перенос энергии к поверхности обуславливается процессами в относительно плотной плазме ЭС. Энергия, доходящая до поверхности, расходуется на нагрев мишени и эрозию поверхности (это может быть испарение либо.

3 0.

2 Р.

Рис. В.1. Возможные сценарии взаимодействия.

1 — мишень;

2 — экранирующий слой;

3 — налетающий потокмакроскопические механизмы эрозии, например, расплёскивание металлов, хрупкое разрушение углеродных композитов и т. п.). Другая доля приходящей энергии остаётся в плазме ЭС в виде кинетической энергии частиц, число которых в слое постоянно увеличивается как из-за испарения поверхности, так и за счёт поступления частиц с налетающим потоком. Сюда же следует отнести потенциальную энергию частиц — энергетический канал, который может оказаться важным, поскольку при значительной степени ионизации ионы с большим Ъ обладают большой энергией, высвобождающейся при их рекомбинации. Остальная часть энергии выносится из слоя двумя способами. В первом случае энергия уходит вместе с плазмой, обтекающей мишень, что уменьшает массу плазмы, участвующую в экранировании. Во втором случае боковые потери массы играют малую роль либо по причине удержания плазмы в сильном магнитном поле, либо из-за больших размеров области взаимодействия (что приближает ситуацию к одномерной) — поэтому потери энергии слоя происходят за счёт излучения.

Возможные сценарии взаимодействия, представленные на рис. В.1, иллюстрируют и дополняют сказанное выше. В случае А) имеет место гидродинамическое обтекание мишени налетающим потоком столкновительной плазмы. В ЭС при этом может передаваться только небольшая часть энергии потока. На схеме Б) представлена ситуация, соответствующая большим боковым потерям массы ЭС. Значительная доля энергии, передаваемая от потока в слой, уносится из зоны взаимодействия в виде энергии плазмы. Наконец, третий рисунок отражает идеализированный случай полного отсутствия обтекания мишени. Энергия покидает зону взаимодействия только в виде излучения плазмы.

Для изучения передачи энергии от потока в слой и переноса энергии в самом слое случай В) является наиболее благоприятным. Движение плазмы близко к одномерному, что позволяет с достаточной точностью пользоваться величинами, характеризующими параметры слоя как функции единственной переменной X — расстояния от поверхности мишени. Двумерность процесса сказывается только при рассмотрении переноса излучения, а именно наличием боковых радиационных потерь, которые в чисто одномерной ситуации, очевидно, не существуют.

Возможность реализации режима взаимодействия, близкого к случаю В), перед началом эксперимента не представляется очевидной. Действительно, обтекание мишени водородным потоком можно предотвратить, если взаимодействие проводить в достаточно сильном продольном магнитном поле, а для облучения использовать потоки высокотемпературной плазмы с не слишком большим числом Маха1. Наоборот, обтекание мишени плазмой ЭС, а priori исключить нельзя, так как характеристики этой плазмы заранее не известны. Низкая температура плазмы или развитие неустойчивостей могли бы приводить к выносу массы из зоны взаимодействия поперёк магнитного поля. Эти моменты требовали тщательного изучения в эксперименте до того, как переходить к непосредственному исследованию энергобаланса взаимодействия.

Таким образом, экспериментальное изучение ЭС предполагалось осуществить в условиях максимально приближенных к одномерному движению плазмы. Для этого:

1) столкновение потока с мишенью происходило в магнитном поле? = 20^-25 кГс;

2) облучение мишеней производилось потоками замагниченной высокотемпературной плазмы с числом Маха М< 1.5 и параметром /? = 0.1 -г- 0.35;

3) плотность мощности налетающего потока была увеличена до уровня (в зависимости от установки) 10^-50 МВт! см2, с тем, чтобы:

1 Не слишком большое число Маха в потоке необходимо, чтобы не создавать сильной ударной волны, отходящей от мишени, которая может нарушить баланс давлений в поперечном направлении или увеличить коэффициенты переноса поперёк поля.

2 Например, двухпотоковой при взаимном проникновении налетающего потока и расширяющейся ему навстречу плазме паров мишени.

• обеспечить высокий темп нагрева приповерхностной плазмы с целью компенсации сильных радиационных потерь и получения температуры, достаточно большой для замагничивания плазмы и минимизации боковых потерь массы ЭС;

• произвести моделирование самых жёстких тепловых режимов, предполагаемых при срывах в токамаке ИТЭР;

4) характерные размеры ЭС поперёк поля были выбраны максимально возможными с целью приближения ситуации движения плазмы к одномерной.

Как показали проведённые эксперименты, во многих случаях движение плазмы ЭС происходит практически параллельно силовым линиям. Поэтому при дальнейшем анализе транспорта энергии используется одномерная^ модель процесса, и все величины, характеризующие энергоперенос (например, энергия, приходящая с плазменным потоком, или радиационные потери из ЭС), являются удельными, т. е. отнесёнными к единичной площади поперечного сечения ЭС.

Одномерная трактовка процессов, наблюдаемых в ЭС, неизбежно несколько упрощает реальную ситуацию и выводит за рамки исследования многие интересные эффекты. Например, в данной работе совершенно не рассматриваются особенности экранирования при наклонном падении плазмы на мишень, а именно: зависимость коэффициента экранирования от размера мишени [79], снос ЭС вдоль поверхности мишени [80], турбулентная диффузия плазмы в поперечном направлении [81]. Учет двумерных (в ряде случаев, трёхмерных) эффектов в диссертационной работе проводится только в том случае, если их игнорирование приводит к значительным ошибкам в интерпретации экспериментальных результатов. Практически все приведённые в данной работе результаты получены при нормальном падении потока на мишень. Исключение составляют несколько экспериментов по выявлению.

Но с оговоркой насчёт излучениясм. выше. особенностей излучения плазмы приповерхностного слоя (Глава IV, § 1), исследованию роли излучательного переноса энергии на поверхность мишени (Глава III, § 4) и изучению влияния мишени на приходящую в ЭС энергию (Глава IV, § 3).

В ходе исследования излучения из ЭС выяснилось, что мишенная плазма перед вольфрамовой мишенью представляет собой компактный источник излучения в мягком рентгеновском диапазоне, переизлучающий на длинах волн Л = 30 -4- 300 А значительную долю энергии налетающего потока. При размещении второй мишени в непосредственной близости от вольфрамовой её поверхность подвергается действию коротковолнового излучения мощностью порядка 5 МВт / см2. Это дало возможность провести исследование экранирующего эффекта при тепловых потоках, сходных с плазменным облучением, но с иным переносчиком энергии — фотонами с энергией 40−400 эВ.

Анализируемые в диссертационной работе данные получены на трёх плазменных установках, принадлежащих к семейству МК-200 и основанных на использовании мощных импульсных коаксиальных ускорителей для генерации сгустков плазмы [82]. Не все эксперименты повторялись на всех трёх установках, поскольку многие из них требовали условий, труднодостижимых на одной установке, но относительно легко обеспечиваемых на другой. В ряде случаев это несколько затруднило анализ данных. С другой стороны, широкий набор условий проведения эксперимента позволил выявить характерные свойства ЭС, слабо зависящие от условий облучения. После анализа особенностей, присущих той или иной постановке экспериментов, по результатам измерениям на двух установках (2МК-200 и МК-200иС) подробно изучен перенос энергии в ЭС и общий энергетический баланс процесса взаимодействия.

Диссертационная работа основана на комплексном анализе данных, полученных в эксперименте с помощью широкого набора диагностических средств. Теоретические представления, используемые для интерпретации экспериментальных данных, служат цели систематизации и выделения общих характеристик взаимодействия «плазма-конденсированное тело» в разных условиях эксперимента, либо, наоборот, подчёркивают специфичность тех или иных экспериментальных условий. В связи с этим, при выборе модельных описаний предпочтение отдавалось достаточно простым представлениям, позволяющим быстро получить нужные функциональные зависимости. Далее эти зависимости сопоставлялись с данными, полученными в наиболее полном диапазоне изменения параметров, и делался вывод о степени адекватности такого модельного описания. В ряде случаев оказывалось, что используемые модели неплохо описывают экспериментальные данные даже за пределами формальной области своей применимости.

В.5. Содержание работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

I. Изучены характеристики потоков водородной и дейтериевой плазмы на экспериментальных установках 2МК-200 и МК-2001Ю. Показано, что потоки, движущиеся в продольном магнитном поле В «20^-25 кГс, имеют характерные параметры: плотность — п «5 -1015 см'3, температуру — Г"150э?, Т. &-кэВ, длительность — 15 -ь 35 мкс, плотность мощности — Ж = 5 -ь 50 МВт / см2.

II. Проведены исследования процесса взаимодействия потока водородной (или дейтериевой) высокотемпературной плазмы мощностью 2 ч-50 МВт! см1 с твердотельными мишенями из различных материалов, установленными перпендикулярно к потоку.

1. Показано, что возле поверхности всех исследованных мишеней за время менее 1 2 мкс формируется слой мишенной плазмы, эффективно экранирующий поверхность от прямого воздействия налетающего потока в последующие 15н-35мкс, т. е. в течение основной части процесса взаимодействия.

2. Ключевой характеристикой слоя мишенной плазмы является его высокая температура, достигающая Г =30-^90э£ (при плотности плазмы пе = (5 -г-15)-10'6 см 3) и предопределяющая многие важные свойства плазмы экранирующего слоя, в т. ч. спектр излучения, удержание магнитным полем, механизмы переноса энергии. Высокая температура зафиксирована для мишенной плазмы, содержащей как ионы с небольшим атомным номером 2 (графит), так и очень большим 2 (вольфрам).

3. Обнаружено, что наличие сильного внешнего магнитного поля и высокая температура плазмы обеспечивают движение плазмы экранирующего слоя преимущественно вдоль силовых линий внешнего магнитного поля. Боковые потери плазмы, участвующей в экранировании, невелики.

4. Главным механизмом экранирования поверхности является переизлучение поступающей энергии в окружающее пространство. Переизлучение происходит на ионах материала мишени. Характер пространственного распределения радиационных потерь слабо зависит от параметров налетающего потока и определяется, главным образом, атомным номером материала мишени.

5. Обнаружено, что в зависимости от условий эксперимента энергия, доставляемая водородным потоком в экранирующий слой, может увеличиться или уменьшиться по сравнению со свободным потоком. Предложены объяснения наблюдаемых эффектов на основе особенностей формирования электрического потенциала плазмы на установках с касповой геометрией и на основе предположения об отражении части ионов потока от ионов мишенной плазмы.

6. Перенос энергии в экранирующем слое осуществляется за счёт конвективного ионного, а также электронного и радиационного теплопереноса. Относительная роль того или иного механизма определяется расстоянием до поверхности мишени, атомным номером материала мишени и, в меньшей степени, плотностью мощности налетающего потока плазмы.

7. Показано, что доля энергии плазменного потока, достигающая поверхности, уменьшается при увеличении мощности потока. При наиболее мощном из используемых потоков она составляет в зависимости от материала мишени от 1/15 до 1/200. С уменьшением плотности мощности налетающего потока механизм формирования экранирующего слоя, по-видимому, меняется с термического поверхностного испарения на физическое распыление. При сформировавшемся экранирующем слое испарение поверхности происходит в условиях, близких к равновесным: параметр неравновесности (]шр — ]сок1) / ¡-тр составляет 0.02−0.1. 8. Показано, что для мишеней с большим Z главным механизмом доставки энергии на поверхность облучаемой мишени является радиационный перенос. Для мишеней с небольшим Z энергия на поверхность переносится как квантами (в ближнем УФ и ВУФ диапазонах), так и электронами.

III. Исследовано взаимодействие мягкого рентгеновского излучения мощностью до Ж = 6 МВт/см2 со спектром, лежащим в диапазоне 30 < Л <300 А и близким к сплошному, с графитовой мишенью. Проведено сравнение результатов экспериментов по облучению мишеней потоками высокотемпературной плазмы и мягкого рентгеновского излучения аналогичной мощности.

1. Показано, что эффект экранирования проявляется независимо от того, производится облучение мишени квантами мягкого рентгеновского излучения или частицами высокотемпературной плазмы.

2. Обнаружено, что при воздействии излучения скорость эрозии поверхности мишени прямо пропорциональна мощности излучения. Для сравнения, при воздействии плазменного потока скорость эрозии слабо зависит от мощности.

3. При воздействии излучения плазма экранирующего слоя имеет температуру 2−5 эВ и плотность пе =1017.-1018 см~ В случае плазменного облучения с равным потоком энергии температура во много раз выше, а плотность — ниже.

4. Радиационные потери из экранирующего слоя играют доминирующую роль в энергетическом балансе взаимодействия. Данный вывод справедлив независимо от того, доставляется энергия в экранирующий слой рентгеновскими квантами или частицами плазмы.

5. Характеристики плазм, образующихся у мишени в результате воздействия мощных потоков высокотемпературной плазмы, излучения в ультрафиолетовом диапазоне и излучения в мягком рентгеновском диапазоне, существенно отличаются друг от друга. Наблюдаемое отличие можно объяснить разной длиной торможения налетающих частиц (или длиной поглощения воздействующих квантов) в мишенных плазмах и разной излучательной способностью этих плазм.

Полученные результаты представляют большой практический интерес в таких актуальных областях науки и техники, как:

I. моделирование процессов в диверторной камере токамака-реактора ИТЭР на тепловой стадии срыва;

II. разработка плазменных технологий модификации материалов;

III. разработка высокоярких источников некогерентного коротковолнового излучения.

Рассмотрим кратко основные выводы из диссертационной работы, значимые для этих областей.

I. На основе экспериментальных результатов можно предложить следующий метод расчёта эрозии элементов графитовых диверторных пластин во время срывов в ИТЭРе. При сформировавшемся экранирующем слое параметр неравновесности испарения графитовых мишеней составляет^сопй = 0.02 -т- 0.04. Предполагая, что в условиях срыва параметр не.

J vap изменится, на основе теории термического испарения (соотношение (3.2)) получается, что глубина эрозии равна И[мкм]*> (4 ч- 9) • 10~4 -Р^/тш^^лт?], где: Р — давление плазмы вблизи поверхности, г — длительность термической фазы срыва. Отметим, что слабая зависимость эрозии от плотности мощности W может сохраниться за счёт того, что Р = P (W).

Несомненную важность для моделирования представляют выводы работы о нагреве мишенной плазмы до высокой температуры, пространственной структуре экранирующего слоя, необходимости учитывать смешение мишенной плазмы и плазмы налетающего потока, механизмах переноса энергии на поверхность. В целом можно констатировать, что полученные экспериментальные результаты широко использовались для разработки и совершенствования наиболее известных расчётных кодов, призванных моделировать процессы в диверторе токамака ИТЭР при срывах, а именно FOREV-1 [88], FOREV-2 [159, 198], A*THERMAL-S [57, 178].

II. Большое значение для разработки физических основ технологий модификации поверхности материалов при её обработке ИПВП имеет вывод о механизмах переноса энергии на мишень. Действительно, как показано в работе, при формировании экранирующего слоя и начале квазиравновесного испарения поверхности дальнейший перенос энергии на поверхность для ионов с большим Z осуществляется преимущественно излучением. Для мишеней с малым Z энергию переносят кванты УФи ВУФ-диапазона и электроны. В то же время, в отсутствие экранирующего слоя основными носителями энергии на поверхность являются ионы налетающего потока. Отсюда следует, что в том случае, когда для модификации необходимо насыщение поверхностного слоя обрабатываемого изделия ионами плазмы, необходимо избегать режима с интенсивной эрозией поверхности. И, наоборот, при использовании в основном теплового воздействия плазменного потока режим с образованием экранирующего слоя является предпочтительным.

III. Впервые показано, что при использовании потоков высокотемпературной плазмы умеренной мощности 2 • 106 ч- 5 • 107 Вт/см1 возможно получить сильноизлучающую плазму ионов с большим Z, обладающую температурой Г =30ч-90э5. Спектр излучения плазмы лежит в диапазоне 30 < Л <300 А, а коэффициент конверсии энергии плазменного потока в коротковолновое излучение очень высок. При облучении вольфрамовой мишени на установке МК-2001Ю образуется плазменное образование размером 7x7x3 см3, излучающее около 30 кДж за 20 мкс. Эффективность преобразования энергии ёмкостного накопителя в коротковолновое излучение достигает 10%.

Полученные результаты показывают возможность создания достаточно компактного источника коротковолнового излучения за счёт преобразования кинетической энергии плазменных потоков, генерируемых импульсными плазменными ускорителями, в энергию мишенной плазмы, и дальнейшего её переизлучения на ионах с большим 2. Сам налетающий плазменный поток при таком подходе должен быть малоизлучающим, чтобы исключить радиационные потери энергии в прцессе транспортировки потока от ускорителя до зоны взаимодействия. Меняя материал мишени, можно управлять спектром излучения и его пространственным профилем.