Alushta-2012 International Conference-School on Plasma Physics and Controlled Fusion and The Adjoint Workshop


Download 3.89 Mb.
Pdf просмотр
bet27/28
Sana15.12.2019
Hajmi3.89 Mb.
1   ...   20   21   22   23   24   25   26   27   28

 
1
Taras Shevchenko National University, 01033 Kiev, Ukraine; 
2
National technical university “KPI”, Kharkov, Ukraine; 
3
IPP NSC KIPT, 61108 Kharkov, Ukraine 
4
University of Science and Technology Beijing, Beijing 100 083, China 
 
One  reason  of  degradation  of  plasma  facing  mirrors  (First  Mirrors,  FM)  of  optical 
methods for plasma diagnostics in ITER will be sputtering by charge exchange atoms (CXA) 
resulting  in  increase  of  the  surface  roughness.  To  avoid  degradation  of  mirror  optical 
properties,  it  was  suggested  [1,2]  to  fabricate  FMs  from  single  crystals.  Another  promising 
possibility way [1] is the use of materials which have so fine structure that characteristic size 
of  the  surface  roughness  growing  would  be  much  less  than  the  wavelength  of  the  light  of 
mirror  working  range.  Such  materials  –  amorphous  and  nano-structural  alloys  –  are  now 
produced with the size that gives possibility to provide model studies with mirror specimens.  
Such  investigations  were  provided  in  the  Institute  of  Plasma  Physics  of  the  National 
Science Center KIPT, with an aim to study the behavior of optical properties and the character 
of relief developing on the surface of fine-structure materials due to long-term sputtering. The 
mirror  specimens  from  amorphous  Zr
41.2
Ti
13.5
Cu
12.5
Ni
10
Be
22.5 
alloy
 
crystallized  at  773 K  for 
one  hour  possessed  the  lowest  crystalline  particle  size  (30-70  nm);  the  grains  of  a  fine-
dispersed  alloy  Cu-Cr-Zr  were  of  noticeably  larger  size  (200-300  nm),  and  the  grains  of  a 
fine-grain molybdenum and tungsten were even larger (200-400 nm).  
All mirror specimens were sputtered by ions of deuterium (Cu-Cr-Zr alloy) or Ar plasmas 
up to  the ion  fluence  when the developed relief can be measured by means  of profilometry, 
interferometry,  or  scanning  electron  microscopy  (i.e.,  after  sputtering  the  layer  2.5-4  μm  in 
thickness).  It  was  found  that  along  with  inhomogeneities  with  the  longitudinal  scale  of  a 
single  grain  there  appear  the  inhomogeneities  of  much  larger  scale,  what  can  lead  to 
degradation of optical properties in a much longer wavelengths region. 
To  clear  up  the  reason  of  this  fact,  computer  modeling  was  provided  assuming  that  all 
grains are of equal size and the grain of every orientation (12 in total) of crystallographic axis 
has  some  fixed  sputtering  rate  in  the  angle  interval  ±15º.
 
The  results  demonstrate  that  the 
developing microrelief has not only one-grain-size scale component along the surface but also 
the  much  longer  scale  inhomogeneities,  many  times  (10-25)  exceeding  the  size  of  an 
individual grain. 
 
 
1. V.S. Voitsenya, V.G. Konovalov, A.F. Shtan‟ et al. Rev. Sci. Instr., 70 (1999) 790-792. 
2. V. Voitsenya, A.E. Costley, V. Bandourko et al. Rev. Sci. Instr., 72 (2001) 475-482.  
 
 
 

 
220 
 
W-04 
DESTRUCTION OF MICROPARTICLES RELATED TO DUSTY PLASMA 
PROCESSES AND POSSIBLE TECHNOLOGICAL APPLICATIONS 
 
T.I. Morozova, S.I. Kopnin, S.I. Popel 
 
Institute for Dynamics of Geospheres RAS, Moscow, Russia 
 
 
A method of destruction of microparticles related to dusty plasma processes is discussed. The 
method includes the creation of dust particle charges exceeding their limiting values when the 
destruction process of the particles starts. The destruction is connected with the fact that the 
surface  charge  of  the  dust  particle  creates  the  electrostatic  pressure.  When  the  electrostatic 
pressure  becomes  higher  than  the  strength  of  the  particle,  the  particle  destroys.  It  is  shown 
that  the  destruction  of  dust  particles  is  possible  when  the  particles  are  charged  positively. 
Technological  applications  of dust particle destruction can be  associated  with  the separation 
of  nano-  and  microscale  monomineral  fractions  from  polymineral  microparticles.  For  this 
purpose one can use modern sources of synchrotron radiation to achieve the limiting positive 
values of dust particle charges.  This  method can be utilized, e.g., for processing of  gold  ore 
from particular deposits.  
 
This work is supported by the Division of Earth Sciences of the Russian Academy of Sciences 
(the basic research program No. 5 "Nanoscale particles: conditions of formation, methods of 
analysis and recovery from mineral raw"). 
 
 
 

 
221 
 
W-05 
GROWTH RATES OF FOREST OF SINGLE-WALLED CARBON NANOTUBES IN 
PLASMA-ENHANCED CHEMICAL VAPOR DEPOSITION  
 
G. Burmaka, I. Denysenko, N. A. Azarenkov 
 
 Department of Physics and Technology, V. N. Karazin Kharkiv National University, 
 Svobody sq. 4, 61022 Kharkiv, Ukraine 
 
The surface diffusion model is developed, which describes the growth of forest of single-
walled  carbon  nanotubes  in  plasma-enhanced  chemical  vapor  deposition.  Using  the  model, 
the  growth  rate  of  nanotubes,  diffusion  length  and  residence  time  of  carbon  atoms  on 
nanotube  surfaces  are  determined,  as  functions  of  different  external  parameters.  The  model 
accounts  for  nonuniformity  in  deposition  of  neutral  particles  on  surface  of  nanotubes  from 
discharge chamber, interactions of hydrocarbon molecules and carbon atoms with etching gas, 
thermal  and  ion-induced  dissociation  of  hydrocarbon  molecules  adsorbed  on  surface  of 
nanotubes,  decomposition  of  hydrocarbon  ions  on  nanotube  surface,  as  well  as  diffusion  of 
carbon atoms on surface of nanotubes. The growth rates as functions of the carbon nanotube 
length  are  obtained  numerically  and  analytically  for  different  ion  and  neutral  fluxes  and 
different substrate temperatures. 
This  work  was  financially  supported  by  the  State  Fund  for  Fundamental  Researches  of 
Ukraine. 
 

 
222 
 
W-06 
THE INTERACTION OF DUST PARTICLES IN MAGNETIZED PLASMAS 
 
 G.O.Gavrysh, O. Yu. Kravchenko, T.E.Lisitchenko, I. Koval  
Taras Shevchenko Kyiv University, Volodymirs‟ka Str. 64, 01601 Kyiv, Ukraine 
kay@univ.kiev.ua 
 
The  problem  of  the  charging  of  dust  particles  in  plasmas  is  one  of  the  main  tasks  to  be 
studied.  Dust  particles  immersed  in  plasma  acquire  charges  whose  sign  and  magnitude 
strongly  affect  on  the  properties  of  the  plasma  as  well  as  the  properties  of  the  ensemble  of 
dust  particles  itself.  The  charge  of  the  dust  grains  is  of  great  interest  to  understand  the 
behaviour  of  particles  in  processing  plasmas  used  for  thin-film  production,  in  processes  of 
growing particles in the gas phase by nucleation and aggregation [1] as well as for the study 
of space plasmas  [2]. Recently interest  to  research of dust structures  in  a magnetic field  has 
increased [3]. In this regard, the determination of the charge of dust particles and forces acting 
on them in plasmas with magnetic field is important.  
 The traditional method used to determine the interaction of dust particles with plasmas is 
by means of the  Orbital  Motion  Limited (OML)  theory.   In some  articles it was  shown that 
this theory is not accurate in case high gas pressure, at a strong interaction between particles 
and when a relative drift is added [1,2]. Various numerical methods can be employed to solve 
this  problem.  Among  them,  direct  integration  of  the  equation  of  motion  of  plasma  particles 
represents a numerical experiment with significance approaching experiments in laboratory.      
In the present paper the process of charging and shielding of dust particles is studied using 
computer  simulation.  The  three-dimensional  P
3
M  method  is  applied  as  the  most  complete 
description  of  plasma  particles  motion  and  interaction  with  macroscopic  dust  grains.  The 
interaction  between  plasma  particles  and  neutral  gas  was  simulated  using    Monte-Carlo 
method for describing of elementary processes, such as elastic, excitation, ionization, charge 
exchange processes.  
Spherical  conductive  dust  particles  were  located  in  nondisturbed  low  pressure  low 
temperature plasma in the presence of ion flow at various values of the neutral gas density and 
magnetic field. The spatial distributions of plasma particles around dust grains were obtained 
at  different  magnetic  fields  and  ion  flow  velocities.  The  formation  of  the  ion  clouds  behind 
dust  particles  owing  to  focusing  of  ion  flows  was  observed.  We  have  demonstrated  that  the 
density  of  the  ion  clouds  considerably  decreases  with  increasing  magnetic  field.  The 
dependence of the ion drag force on neutral gas pressure and magnetic field was investigated. 
It was shown that higher ion concentration due to ionization and charge exchange processes 
results  in  growing  of  the  ion  drag  force.  With  increasing  magnetic  field  the  charge  of  dust 
particles is reduced, which leads to a decrease of the ion drag force.  
 
 1. M. Mao, J. Benedikt, A. Consoli, A. Bogaerts, J. Phys. D: Appl. Phys., 41, 225201 (14pp) 
(2008).  
2. J. Pavlu, J. Safrankova, Z. Nemecek,  I. Richterova, Contrib. Plasma Phys. , 49, 169 – 186  
(2009). 
3. L. G. D‟yachkov, O. F. Petrov, V. E. Fortov, Contrib. Plasma Phys. 49,  134 – 147 (2009). 
 
 
  
 

 
223 
 
W-07 
THE ESTIMATION OF TUNGSTEN AND ODS TUNGSTEN DAMAGES AFTER 
DENSE PLASMA EXPOSURE ON PF-12 AND PF-1000 
 
V. Shirokova
1)
, T. Laas
1)
, J. Priimets
1)
, E.V. Demina
2)
, M.D. Prusakova
2)
, M. Scholtz
3) 
 
1)
 Institute of Mathematics and Natural Sciences, Tallinn University, Estonia
 
2)
 A. A. Baikov Institute of Metallurgy and Materials Sciences, Moscow, Russia 
3)
 Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion, Warsaw, Poland 
E-mail: veroonika.pelohh@gmail.com 
 
Experiments using the plasma focus device PF-12 (Tallinn University) and PF-1000 (Warsaw 
Plasma  Physics  and  Laser  Microfusion  Institute)  have  been  carried  out  to  investigate  the 
behavior  and  damage  in  pure  tungsten  and  ODS  tungsten  (ODS  –  oxide  dispersed 
strengthened). These materials may be suitable candidates for the divertor in a thermonuclear 
reactors. 
The  pure  and  ODS  tungsten  were  manufactured  by  PLANSEE  using  powder  metallurgy 
technology.  Tungsten  was  doped  with  1%  of  lanthanum  oxide,  and  was  then  isostatically 
pressed, sintered and rolled. The pure tungsten was made by a similar process. The 20x20 mm 
samples were 4 mm thick. Materials were exposed to deuterium plasma for 2 and 8 shots on 
PF-12 at distances of 3.5, 6.5, and 10.5 cm, and by 2 shots on PF-1000 at 7-7.5 cm.  
Both  the  original  and  the  irradiated  samples  were  investigated  by  optical  and  scanning 
electron microscopy, by local X-ray spectroscopic analysis and by X-ray phase-shift analysis. 
Also the microstructure, microroughness and microhardness of the samples were investigated. 
The  analysis  by  electron  microscopy  shows  that  the  plasma  exposure  produced  wave-like 
structures,  a  melt-layer  and  a  mesh  of  microcracks.  The  wavelength  and  amplitude  of  these 
structures  is  practically  the  same  in  both  materials.  The  mesh  of  cracks  that  appears  on  the 
surface  is  caused  by  crystallization  of  the  melt-layer  by  fast  cooling.  The  density  of 
microcracks in the ODS tungsten surface increases more gradually with the number of shots 
than in the pure tungsten case.  
The X-ray phase-shift analysis shows about 5-10% all second phases availability. The lattice 
parameter of the ODS tungsten after irradiation was decrease. The second phases are localized 
and  in  good  accordance  with  each  other,  which  have  their  own  physical,  chemical  and 
mechanical properties and influence on the material behavior. 
The microhardness has a reduced value near the surface, and at depth oscillations about some 
mean value of hardness is observed. In some samples a hardness gradient appears with depth. 
The hardness increases in at greater depths, out of the thermal influence zone. The  hardness 
gradient  could  either  be  due  to  the  impact  wave  caused  by  the  plasma  exposure  or 
alternatively the mechanical processing of the samples. 
Taking into consideration that alloys W-%1La
2
O
3
 can be more readily machine processed and 
that the brittleness of ODS tungsten is lower than W, W-%1La
2
O
3
 may be a useful alternative 
to pure tungsten in fusion reactor construction. 
 
 

 
224 
 
W-08 
THE INFLUENCE OF IRRADIATION BY HYDROGEN PLASMA ON THE 
STRUCTURE AND PHASE COMPOZITION Ti-Zr-Ni ALLOYS CONTAINING  
QUASICRYSTALLINE PHASE 
 
S.V. Bazdyreva
1
, I.E. Garkusha
2
, V.A. Makhlaj
2
, S.V. Malykhin
1
,  A.T. Pugachоv

1  
Kharkov Polytechnic Institute, NTU, 61002 Kharkov, Ukraine 
e-mail:  malykhin@kpi.kharkov.ua, тел.: +38 (057) 7076194 

Institute of Plasma Physics of the NSC KIPT, Kharkov, 61108, Ukraine
 
e-mail:  makhlay@kipt.kharkov.ua, тел.: +38 (057) 3356726 
 
Choice  of  facing  materials  and  estimation  of  it  response  to  high  heat  and  particles 
fluxes remain one of important issues for realization of fusion reactor project. It all stimulated 
research and developed new materials. New radiation-resistant materials are quasi-crystal on 
the  base  Ti-Zr-Ni.  They  have  naturally  and  noncyclical  structure  of  nanoclusters  of  fifths 
order.  Response  of  quasicrystal  to  ITER  ELM-like  heat  load  did  not  studied  until  now.  The 
results  of  investigation  Ti-Zr-Ni  alloy  with  quasi-crystal  phase  exposed  by  ITER  ELM  like 
heat load are presented in this paper.  
The  samples  have  been  exposed  to  hydrogen  plasma  streams  produced  by  the  quasi-
steady-state  plasma  accelerator  QSPA  Kh-50.  The  massive  sample  of  Ti41,  5Zr41,5Ni17 
obtained  after  solidification  from  the  melt  was  used  for  the  plasma  load  tests.  The  main 
parameters of QSPA plasma streams  were as  follows:  ion impact  energy  about  0.4 keV, the 
maximum plasma pressure 3.2 bars, and the stream diameter about 18 cm. The surface energy 
loads  measured  with  a  calorimeter  were  achieved  0.6  MJ/m
2
  (near  the  tungsten  melting 
threshold). The plasma pulse shape was approximately triangular, and the pulse duration was 
0.25  ms.  A  surface  analysis  was  carried  out  with  an  MMR-4  optical  microscope  equipped 
with a CCD camera and Scanning Electron Microscopy (SEM) of the JEOL JSM-6390 type. 
To study a micro-structural evolution of the exposed targets, the X-ray diffraction technique 
(XRD) has been used.  
It  is  determined  that  the  initial  state  is  characterized  by  the  presence  of  crystal- 
approximant  phase  (W-phase)  with  lattice  constant  а
W
  =  1.428  nm,  (main  phase)  and  the 
icosahedral  quasicrystalline  i-phase  with    quasicrystalline  parameter  a
q
  =  0,518  nm.  The 
irradiation causes the formation of smooth cracks on the surface the plates that are typical for 
amorphous materials, and asperities, having the shape of dodecahedrons and triacontahedron. 
The  content  of  the  icosahedral  phase  is  significantly  increased,  and  the  quasicrystalline 
parameter  decreases  to    a
q
  =  0,517  nm  due  to  reduced  of  the  content  of  the  most  easily 
melting  element  in  the  alloy  -  nickel  Increasing  the  number  of  pulses  does  not  change  the 
phase composition and structure parameters.  
 

 
225 
 
W-09 
THE ION FLUX AND SHEATH PROPERTIES IN THE AFTERGLOW OF PURE 
ARGON AND OF ARGON WITH NEGATIVELY CHARGED DUST PARTICLES 
 
Brankica Sikimić
1
, Igor Denysenko 
2
, Ilija Stefanović
 1
, Jörg Winter
 1
 
 
1 
Institute for Experimental Physics II, Ruhr Universität Bochum, 44801 Bochum, Germany 
2
 School of Physics and Technology, V. N. Karazin Kharkiv National University Kharkiv, 
Ukraine 
 
It has been experimentally observed that the thin film deposition as well as dust particles in 
plasma  volume  influence  the  discharge  properties  in  radio  frequency  reactive  plasmas,  like 
electron density, electrode self-bias voltage or Ar* metastable density [1,2]. To improve the 
understanding of the processes in the plasma afterglow, the theoretical study of the dynamics 
of  the  ion  flux  and  the  sheath  width  was  carried  out  by  using  experimental  results  of  time 
dependent electron density, electrode self-bias, electron temperature T
e
, and plasma potential 
V
p
  as  input parameters.  The experimental data were obtained  for a 13.56  MHz low-pressure 
capacitively-coupled argon discharge,  as explained in  [2]. The signal  from  the RF generator 
was modulated by a square-wave signal at frequency of 100 Hz and duty cycle of 50%. The 
RF  input  power  was  20  W  and  the  total  gas  pressure  was  kept  constant  at  0.1  mbar.  A 
hydrocarbon film on the electrodes was deposited by adding ~ 5% of acetylene in chamber for 
different time intervals. The growth rate of the deposited film was estimated to be about 1.5 
nm/min  in  the  separately  performed  optical  ellipsometry  measurements.  The  ion  flux  was 
deduced  from  the  change  of  electrode  self-bias  voltage  and  its  decay  time  in  the  plasma 
afterglow,  similar  to  the  RF  biased  planar  electrostatic  probe  [3].  It  was  found  theoretically 
that the sheath  size increases  more slowly  and the average ion  flux to  an electrode becomes 
larger  with  growing  film  thickness.  The  dependence  of  the  calculated  ion  flux  on  the  film 
deposition  time  is  in  a  good  qualitative  agreement  with  the  dependence  obtained  in 
experiment. The effect of dust particles on the ion density at the sheath-plasma boundary was 
also analyzed. 
This  work  was  supported  by  DGF  Project  WI  1700/3-1,  Research  Department  “Plasmas 
with Complex Interactions” and the Ruhr University Research School funded by Germany's 
Excellence Initiative. ID was supported by the Humboldt Foundation and  the State Fund for 
Fundamental Researches of Ukraine. 
 
References 
 
[1]  B.  Sikimić,  I.  Stefanović,  I.  Denysenko,  J.  Winter  20
th
  ISPC,  24-29  July  2011, 
Philadelphia, USA, CPP06. 
[2] I. Stefanović, N. Sadeghi, and J. Winter, J. Phys. D: Appl. Phys. 43 (2010) 152003. 
[3]  N.  St.  J.  Braithwaite,  J. P.  Booth  and  G.  Cunge,  Plasma  Sources  Sci.  Technol.  5  (1996) 
677-684.  
 
 
 
 
 

 
226 
 
W-10 
SIMULATION OF THE EXPIRATION OF THE PLASMA JET WITH A DISPERSED 
PHASE IN AN AXISYMMETRIC CHAMBER 
 
 
O. Yu. Kravchenko, E. V. Kurhanovich, I.S. Marushchak  
Taras Shevchenko Kiev University Volodymirs‟ka Str. 64, 01033 Kiev, Ukraine 
 
Plasma  flows  with  disperse  phase  widespread  in  plasma  and  plasma-chemical 
technologies. Investigation of the characteristics of these flows is necessary in the processing 
of  ultrafine  powders  of  metals,  in  the  plasma-chemical  receipt  of  various  substances,  and 
other. Low-temperature plasma is also used in the processes of surface modification coatings. 
The  aim  of  this  article  was  to  modeling,  computation  and  numerical  analysis  of  the 
expiry of plasma jets with dust particles into the vessel, taking into account the interference of 
the  jet  with  solid  walls  of  the  vessel.  The  problem  was  solved  in  the  time-dependent 
formulation. The quasi neutral low ionized plasma jet enters with the axis velocity 
f
v
 into the 
cylindrical vessel with radius 
100
R
mm  and length  
200
L
mm  through the round nozzle. 
At  the  entrance  of  the  nozzle  (diameter  of  the  outlet  section  of  10  mm)  were  given  plasma 
parameters  (the  total  pressure 
0
P
,  total  temperature 
0
T
,  total  plasma  density 
0
  )  and 
parameters  of  the  disperse  phase  flow  (density,  drift  velocity  and  temperature  of  dust 
particles). All  plasma parameters are constant  in  this cross-section during a simulation time. 
Plasma  stream  moves  in  this  vessel  interacting  with  contained  there  neutral  gas  (which  has 
some initial parameters) and departs through the side hole.  
Plasma jet is described by set of hydrodynamic equations which consist of momentum 
equations,  continuity  equation  and  energy  conservation  law  for  quasineutral  plasmas  and 
disperse  phase  (dust  particles).  The  model  takes  into  account  the  interfacial  force,  thermal 
interaction between plasma and dust particles and recombination of the plasma on the surface 
of  dust  particles.  The  system  of  equations  is  solved  numerically  by  the  method  of  large 
particles  [1].    The  calculations  were  carried  out  at  different  parameters  of  plasma  flow 
entering  in  the  vessel  and  continued  until  a  steady  flow  of  plasma.  As  results,  spatial 
distributions  of  the  plasma  parameters  and  disperse  phase  parameters  (densities,  drift 
velocities,  temperatures  and  the  plasma  pressure)  were  obtained  in  various  times.  The 
influence  of  a  disperse  phase  on  parameters  of  a  plasma  stream  is  investigated. 
 
Distribution  of  dust  particles  in  the  chamber  is  also  studied  at  various  parameters  of 
plasma streams. 
  
1. 
A.M. Belotserkovskyy, U.  M.  Davydov  Method  of  major  particles  in  gas-fired  dynamics. - 
Moscow: Nauka, 1982. - 391 p. 
 
1   ...   20   21   22   23   24   25   26   27   28


Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2019
ma'muriyatiga murojaat qiling