Исследование спектра излучения плазмы в ВЧ эмиттере мощного атомарного инжектора

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
Примеси в пучках быстрых нейтралов
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
Инжекционная система TAE
Диагностика примесей в инжекторе нейтралов
Задачи
Определение потока примесей:
Масс-спектроскопия
Доплеровская спектроскопия водорода (H2O, CxHy)
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 H2O, OH …
Возможное наличие металлов, азота и т.д.
Схема измерений
Стенд диагностических инжекторов
к спектрометру
645
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 мм2 700x516 точек,
14 бит, 800 фотонов / бит
Длительность кадра 70 мс – 10 с
Спектр свечения плазмы ВЧ-эмиттера
1000
Интенсивность, о.е.
10.05.2007
Ha
Hb
0
450
500
550
600
650
700
Длина волны, нм
750
800
850
Спектр свечения плазмы ВЧ-эмиттера
100
Интенсивность, о.е.
10.05.2007
Ha
Hb
0
450
500
550
600
650
700
Длина волны, нм
750
800
850
Спектр свечения плазмы ВЧ-эмиттера
10
Интенсивность, о.е.
10.05.2007
Ha
Hb
0
450
500
550
600
650
700
Длина волны, нм
750
800
850
Спектр свечения плазмы ВЧ-эмиттера
1
Интенсивность, о.е.
10.05.2007
Ha
Hb
0
450
500
550
600
650
700
Длина волны, нм
750
800
850
Спектр свечения плазмы ВЧ-эмиттера
1
Интенсивность, о.е.
10.05.2007
Ha
Hb
0
450
500
550
600
650
700
Длина волны, нм
750
800
850
Интенсивность, о.е.
Молекулярный спектр водорода
(полоса Фалчера)
550
575
600
Длина волны, нм
625
650
Молекулярный спектр водорода
(полоса Фалчера)
Интенсивность, о.е.
Пирс, Гайдон Идентификация молекулярных спектров, 1949
550
H2 полоса Фалчера (Fulcher band)
575
600
Длина волны, нм
625
650
Молекулярный спектр водорода
(полоса Фалчера)
Интенсивность, о.е.
Пирс, Гайдон Идентификация молекулярных спектров, 1949
550
H2 полоса Фалчера (Fulcher band)
575
600
Длина волны, нм
625
650
Молекулярный спектр водорода
(полоса Фалчера)
Интенсивность, о.е.
Пирс, Гайдон Идентификация молекулярных спектров, 1949
550
H2 полоса Фалчера (Fulcher band)
575
600
Длина волны, нм
625
650
Структура молекулярного спектра
V – колебательное квантовое число
J – вращательное квантовое число
Свечение нейтрального пучка
(спектрометр HR2000)
(Trot=320 К)
n=3
Свечение плазмы ВЧ разряда
Дивертор JT-60
(Trot=550 К)
Q branch: DJ=0
n=2
Возможность идентификации линий примесей определяется фоном свечения
молекулярного водорода
Молекулярный спектр водорода содержит информацию о вращательной
температуре нейтрального газа
Спектр разряда в гелии
Интенсивность, о.е.
Гелий
Интенсивность, о.е.
450
450
500
550
650
700
Длина волны, нм
Ha
Hb
500
600
550
600
650
700
Длина волны, нм
750
800
850
Водород
750
800
850
Спектр разряда в гелии
Интенсивность, о.е.
Гелий
Интенсивность, о.е.
450
450
500
550
650
700
Длина волны, нм
Ha
Hb
500
600
550
600
650
700
Длина волны, нм
750
800
850
Водород
750
800
850
Спектр разряда в гелии
Интенсивность, о.е.
Гелий
Интенсивность, о.е.
450
450
500
550
650
700
Длина волны, нм
Ha
Hb
500
600
550
600
650
700
Длина волны, нм
750
800
850
Водород
750
800
850
Спектр разряда в гелии
Интенсивность, о.е.
Гелий
700
Интенсивность, о.е.
650
650
750
Длина волны, нм
800
850
Водород
700
750
Длина волны, нм
800
850
Интенсивность, о.е.
Спектр разряда в гелии
OI
???
OI
700
Интенсивность, о.е.
650
650
Гелий
CaH?
750
Длина волны, нм
800
850
Водород
молекулярный водород
700
750
Длина волны, нм
800
850
Спектральные линии примесей в ВЧ разряде
кислород
Интенсивность, о.е.
22.03.2007
450
500
550
600
700
650
Длина волны, нм
750
800
850
Спектральные линии примесей в ВЧ разряде
кислород
450
O I Eu=14 эВ
Te=1 эВ
500
550
600
700
650
Длина волны, нм
I1
A1 g11 Eu1  Eu 2 T
~
e
I 2 A2 g 2 2
750
800
O I Eu=10,9 эВ
Интенсивность, о.е.
O I Eu=10,7 эВ
22.03.2007
850
Спектральные линии примесей в ВЧ разряде
кислород
450
O I Eu=14 эВ
Te=1 эВ
Te=2 эВ
500
550
600
700
650
Длина волны, нм
I1
A1 g11 Eu1  Eu 2 T
~
e
I 2 A2 g 2 2
750
800
O I Eu=10,9 эВ
Интенсивность, о.е.
O I Eu=10,7 эВ
22.03.2007
850
Спектральные линии примесей в ВЧ разряде
кислород
Интенсивность, о.е.
22.03.2007
450
500
550
600
700
650
Длина волны, нм
I1
A1 g11 Eu1  Eu 2 T
~
e
I 2 A2 g 2 2
750
800
850
Динамика содержания примесей
OI
OI
22.03.2007
450
500
550
600
650
700
750
800
850
600
650
700
750
800
850
600
650
700
750
800
850
18.04.2007
450
500
550
10.05.2007
450
500
550
Динамика содержания кислорода
OI
OI
22.03.2007
450
500
550
600
650
700
750
800
850
600
650
700
750
800
850
600
650
700
750
800
850
18.04.2007
450
500
550
10.05.2007
450
500
550
Динамика содержания кислорода
OI
OI
22.03.2007
450
500
550
600
650
700
750
800
850
600
650
700
750
800
850
600
650
700
750
800
850
18.04.2007
450
500
550
10.05.2007
450
500
550
Динамика содержания кислорода
OI
OI
22.03.2007
450
500
550
600
650
700
750
800
850
600
650
700
750
800
850
600
650
700
750
800
850
600
650
700
750
800
850
18.04.2007
450
500
550
10.05.2007
450
500
550
07.12.2007
TAE
450
500
550
Динамика содержания кислорода
влияние тренировки
8000
Интенсивность, о.е.
Интенсивность, о.е.
100
80
60
40
2000
20
770
775
0
645
780
100
650
655
660
8000
после тренировки
Интенсивность, о.е.
Интенсивность, о.е.
Ha
4000
0
80
6000
60
OI
Ha
4000
40
2000
20
0
770
775
780
0
645
8000
650
655
Интенсивность, о.е.
100
Интенсивность, о.е.
до тренировки
6000
OI
80
660
15 мин
после тренировки
6000
60
OI
4000
40
2000
20
0
Ha
770
775
Длина волны, нм
780
0
645
650
655
660
Длина волны, нм
Тренировка плазменного эмиттера длинными (1 с) ВЧ-разрядами приводит к
уменьшению интенсивности свечения кислорода в 2 раза
Эффект прогрева сохраняется в течение продолжительного времени
Динамика содержания кислорода
8.06.2007
700
500
29.05.2007
21.06.2007
600
16.04.2007
Интенсивность, о.е.
800
400
300
30.05.2007
200
29.06.2007
100
0
0
50
100
150
200
250
300
Номер выстрела
350
400
450
500
550
Динамика содержания кислорода
8.06.2007
700
500
29.05.2007
21.06.2007
600
16.04.2007
Интенсивность, о.е.
800
400
300
30.05.2007
200
29.06.2007
100
0
0
50
100
150
200
250
300
Номер выстрела
350
400
450
500
550
Динамика содержания кислорода
влияние прогрева
29.05.2007
500
400
400
300
300
200
200
100
100
0
8
Прогрев
10
12
Время, ч
14
30.05.2007
500
16
0
10
12
14
16
18
Время, ч
Прогрев лайнера приводит к увеличению содержания кислорода
Основным источником кислорода являются элементы плазменной камеры
Спектральные линии примесей в ВЧ разряде
углерод
450
O I Eu=14 эВ
Te=1 эВ
500
550
600
700
650
Длина волны, нм
750
800
O I Eu=10,9 эВ
Интенсивность, о.е.
O I Eu=10,7 эВ
22.03.2007
850
Спектральные линии примесей в ВЧ разряде
углерод
Интенсивность, о.е.
22.03.2007
450
500
550
600
650
700
Длина волны, нм
750
800
850
Спектральные линии примесей в ВЧ разряде
углерод
450
500
550
600
650
700
Длина волны, нм
С I Eu=9,2 эВ
С I Eu=10,4 эВ
Интенсивность, о.е.
Te=1 эВ
750
800
850
Спектральные линии примесей в ВЧ разряде
углерод
450
500
550
600
650
700
Длина волны, нм
O I 777 нм Eu=10.7 эВ <sV>T=1эВ=1.7*10-14 см3/с
С I 833 нм Eu=9.2 эВ <sV> T=1эВ =1.7*10-13 см3/с
С I Eu=9,2 эВ
С I Eu=10,4 эВ
Интенсивность, о.е.
Te=1 эВ
Te=2 эВ
750
800
850
nC I C s CVe


~ 0.03
nO I O s OVe
Оценка соотношения концентраций кислорода и углерода в разряде дает
значение nc/nO~0.03
SIMS анализ содержания примесей
углерод
Кремниевая подложка
Пучок 47.5 кэВ, 1.8 А, 20 имп. 3 мс
14
Концентрация, 1019 см-3
12
С,
без геттера
10
8
6
4
2
0
0
O,
без геттера
С,
c геттером
O,
c геттером
100
200
300
Глубина, нм
400
500
600
Интенсивность, о.е.
Молекулярные полосы примесей
CaH
OI
???
OI
700
Интенсивность, о.е.
650
Гелий
650
750
Длина волны, нм
800
850
Водород
700
750
Длина волны, нм
800
850
Интенсивность, о.е.
Молекулярные полосы примесей
CaH
OI
???
OI
700
Интенсивность, о.е.
650
Гелий
650
750
Длина волны, нм
800
850
Водород
700
750
Длина волны, нм
800
850
Молекулярные полосы примесей
Интенсивность, о.е.
Разряд
Ne
(калибровка)
CaH
686
687
688
689
690
691
692
693
Длина волны, нм
Пирс, Гайдон: "… наблюдаются в дугах с кальцием в водороде…"
694
695
696
Динамика содержания примесей
OI
OI
22.03.2007
450
500
550
600
650
700
750
800
850
600
650
700
750
800
850
600
650
700
750
800
850
18.04.2007
450
500
550
10.05.2007
450
500
550
Динамика CaH
OI
OI
22.03.2007
450
500
550
600
650
700
750
800
850
600
650
700
750
800
850
600
650
700
750
800
850
18.04.2007
450
500
550
10.05.2007
450
500
550
Динамика CaH
22.03.07
670
680
690
700
710
18.04.07
670
680
690
700
710
10.05.07
670
680
690
700
Длина волны, нм
710
Динамика CaH
22.03.07
670
680
690
700
710
20.06.07
670
680
690
18.04.07
670
680
690
700
710
680
690
700
Длина волны, нм
710
710
19.11.07
670
680
690
10.05.07
670
700
700
710
07.12.07
TAE
670
680
690
700
Длина волны, нм
710
Спектроскопия свечения атомарного пучка
Спектрометр HR2000
сумма по 300 выстрелам
Интенсивность, о.е.
Ha
E/3
E/2
E/18
E
600
610
620
630
640
650
660
Длина волны, нм
670
680
690
700
Интенсивность, о.е.
Спектроскопия свечения атомарного пучка
600
610
620
630
640
650
660
Длина волны, нм
670
680
690
700
Интенсивность, о.е.
Спектроскопия свечения атомарного пучка
600
610
620
630
640
650
660
Длина волны, нм
670
680
690
700
Спектроскопия свечения атомарного пучка
Пучок TAE
23 кВ, 8 А, 15 мс
1000
1000
800
800
600
600
400
400
200
200
0
645
650
655
660
0
765
Длина волны, нм
770
775
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
780
Спектроскопия свечения атомарного пучка
Пучок TAE
23 кВ, 8 А, 15 мс
400
Интенсивность, о.е.
1
dJ/dV, о.е.
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
300
200
100
0
0
V/Vmax
10
20
30
Emax/E
Определение абсолютного значения потока примесей:
Основная проблема – отсутствие данных по сечениям возбуждения ионов
Напуск контролируемого количества примесей
Сравнение интенсивностей доплеровски смещенных линий примесей
40
50
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