CC BY
15
УДК 533.9.082.5
ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ПРИМЕСЕЙ ВОДЫ В ПЛАЗМЕ МЕТОДОМ ОПТИЧЕСКОЙ АКТИНОМЕТРИИ
А. В. Бернацкий, В.Н. Очкин
Рассматривается применение метода оптической актинометрии для определения концентраций молекул воды в газоразрядной плазме. Для плазмообразующих газов Н2 О:Не с примесью Хе такую возможность дает использование относительных интенсивностей линий Хе и кислорода О.
Ключевые слова: плазма, актинометрия.
При создании и эксплуатации мощных электровакуумных энергетических установок типична и актуальна проблема целостности охлаждаемых водой стенок. Нарушение их герметичности приводит к появлению в плазме рабочего вещества микропримесей воды с последующим выходом устройств из режима функционирования и возможными катастрофическими сценариями развития таких последствий. Так, в проекте реактора ИТЭР [1], с учетом опыта работы установок предыдущих поколений (напр., JET в Великобритании, Tore Supra во Франции, Л-2М в России...) [2, 3] заложено требование к натеканию паров воды в плазменную камеру в пределах W ~ (10-2 — 10-7) Па-м3-с-1 (величина 10-7 Па-м3-с-1 соответствует изменению концентрации молекул на 2.65 • 1013 см-3с-1).
Наряду с многообразием методов измерений влажности газов, применительно к плазме такие возможности мало изучены и находятся в стадии исследований.
В работах [4, 5] мы в этих целях предложили спектроскопический метод, основанный на измерении интенсивности свечения т.н. "горячих" групп во вращательной структуре электронной полосы A2S — X2П гидроксила OH. Эти группы появляются в результате диссоциативного возбуждения молекул H2O электронным ударом с последующим их распадом на водород H и возбужденный гидроксил OH(A2S) [6]. Такой подход продемонстрировал высокую чувствительность для индикации молекул воды. С помощью калибровок было показано, что такая чувствительность дает возможность определения очень низких скоростей натекания, вплоть до 3 • 10-5 Па-м3-с-1.
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: ochkin@sci.lebedev.ru, berav@lebedev.ru.
С целью получения количественных результатов в работе [7] метод был дополнен абсолютными измерениями интенсивностей свечения ОН и зондовыми измерениями параметров электронной компоненты плазмы. В такой версии метода достигнута чув-
Вместе с тем, с точки зрения практического использования в реальных условиях сложных установок, такую комбинацию измерений реализовать достаточно трудно. К тому же, анализ условий применения показывает, что ультрафиолетовая область спектра (вблизи 300 нм для ОН) также вызывает вопросы, т.к. возможна деградация оптики в канале наблюдения при больших потоках быстрых частиц и жестких излучений.
С учетом этих обстоятельств в настоящей работе мы исследуем принципиальную возможность применения также и других спектральных линий без проведения зондо-вых измерений с использованием подхода, известного как оптическая актинометрия [6]. При этом для анализа такой новой возможности мы опираемся на сопоставления с результатами уже апробированного метода [7]. Суть актинометрического подхода состоит в сопоставлении концентрации [пх] анализируемых частиц с известной концентрацией добавляемых в контролируемых количествах частиц-актинометров [паст]. Эта связь устанавливается при сопоставлении интенсивностей свечения частиц
где к - коэффициент скорости возбуждения спектральных линий определяемой частицы и актинометра электронным ударом
а(е) - сечение возбуждения, f (е) - функция распределения электронов по энергии электронов е. Знания абсолютных значений интенсивностей при этом не требуется. Если, с точностью до масштабного коэффициента, вид f (е) для разных спектральных линий подобен, то и в первом приближении точного знания этого вида также не требуется.
Схема экспериментальной установки показана на рис. 1.
Исследовалась плазма разряда в открытом полом катоде. Такая геометрия, как представляется, наиболее соответствует модели для бланкетной структуры стенок реакторов. Вольфрамовый катод С (100x50x10 мм3) смонтирован в вакуумной камере УС объемом 22 л с откачкой до остаточного давления 4 • 10-5 мбар. Разряд осуществлялся между стенками и анодом А в виде вольфрамовой проволоки диаметром 1.5 мм,
ствительность (1 ± 0.2) • 10 7 Па-м3-с 1, удовлетворяющая существующим требованиям.
1х _ кх [пх]
(1)
1аст клст [паст]'
(2)
Рис. 1: Схема установки (пояснения в тексте).
длиной 100 мм, расположенного в 15 мм от среза катода. Напряжение 600 V создаётся блоком питания УИП-1 (HV), ток разряда 0.23 A. Смесь газов (He, Xe, пары H2O) попадает в камеру через систему (GAS), которая позволяет создавать газовую смесь нужных пропорций. Излучение разряда проходит через оптику (L) и попадает на входную щель (S) монохроматора МДР-204. Сигнал с фотоумножителя Hamamatsu R928 передается на персональный компьютер (PC) для обработки. Электрический зонд (P) сделан из вольфрамовой проволоки диаметром 0.1 мм в кварцевом капилляре с выступающей частью 3 мм. Пилообразное напряжение ±110 V частотой 115 Hz подаётся на зонд с генератора SFG-8219A (G) через трансформатор (T). Сигнал с измерительного сопротивления R = 490 Ом поступает на цифровой осциллограф (TDS) и строится зондовая вольт-амперная характеристика.
Эксперименты проводились для условий разряда в смеси Н2О:Не:Хе. Изучались спектры свечения разряда в диапазоне 300-900 нм. С точки зрения поставленной задачи наибольший интерес представляют линии Q(15) (Л = 312.5 нм) полосы ОН (A2S — X2П), Xe (Л = 823.2 нм) и атома кислорода O (Л = 777.4 нм). Вид сечений возбуждения этих линий по данным работ [8] (OH), [9] (Xe), [10] (O) приведен на рис. 2. Там же показан типичный вид функции распределения электронов по энергиям f (е) (EEDF), измеренной для разряда в смеси Н2О:Не:Хе. Видно, что сечения имеют близкие значения пороговой энергии и схожий функциональный вид. Максимум функции f (е) соответствует энер-
Рис. 2: Сечения возбуждения линий СИ, С, Хв и вид f (е).
гии, близкой к пороговым значениям сечений. Эти обстоятельства благоприятны для актинометрических измерений.
Результаты представлены в табл. 1 для случая плазмообразующей смеси Не:Н20:Хе (25:3:1) при общем давлении в камере 0.85 мбар. Приведены отношения интенсивностей I спектральных линий и концентрации частиц. При этом концентрация атомов Хе полагалась равной таковой в плазмообразующем газе. Концентрации частиц в исходной смеси отмечены индексом 0. Индексом * отмечены концентрации молекул воды, измеренные методом абсолютных интенсивностей в комбинации с зондовыми измерениями [7]. Концентрации без индексов получены методом актинометрии. Зондовые измерения показали, что в этих условиях ФРЭЭ значимы в пределах от 0 до 40 еУ, средняя энергия варьируется от 6 до 10 еУ, поэтому отношение сечений рассматривалось также в этой области: оон/&Хе = 3.4, оон/оо = 6.5. В табл. 1 также приведены значения концентрации электронов пе и их средних энергий е. При измерениях относительных интенсивностей линий 1<(15)/1хе, 1<э(15)/1о учитывался коэффициент чувствительности ФЭУ К для соответствующих длин волн: К3125 = 0.24, К777Л = 0.04, К823 2 = 0.03.
Таблица 1
Результаты измерений
Относительные интенсивности Концентрации частиц, см 3 Параметры электронов
IXe/IQ15 ¡О/IQ15 Xe0 Н2О0 O H2 O H2O* ne, см 3 ё, эВ
480± 50 4± 0.5 21 х 1014 8х 1014 (1.1± 0.2) ■ 1013 (3± 0.8) ■ 1014 (3.1± 0.5) ■ 1014 (3.1 ± 0.6) х 108 9± 0.3
Результаты первых экспериментов показывают, что использование предлагаемого актинометрического метода по интенсивностям атомных спектральных линий позволяет определять концентрации молекул воды в плазме. Чувствительность таких измерений сопоставима с чувствительностью измерений при помощи комбинации методов абсолютных интенсивностей в спектре гидроксила и зондовых измерений [7]. Выяснение предельных чувствительностей и минимизации содержания актинометрических добавок требует дополнительных исследований.
Исследование выполнено за счет средств гранта Российского научного фонда (проект № 14-12-00784).
ЛИТЕРАТУРА
[1] ITER Final Design Report No. G 31 DDD 14 01.07.19 W 0.1, Section 3.1: Vacuum Pumping and Fuelling Systems (IAEA, Vienna, 2001).
[2] Au. Durocher, A. Bruno, M. Chantant, et al., Fusion Engineering and Design 88, 1390 (2013). http://dx.doi.org/10.1016Zj.fusengdes.2013.02.078
[3] V. Kurnaev, O. Afonin, A. Antipenkov, et al., L-2M team, Fusion Engineering and Design 88, 1414 (2013). http://dx.doi.org/10.1016Zj.fusengdes.2012.12.022
[4] А. Б. Антипенков, О. Н. Афонин, В. Н. Очкин, С. Ю. Савинов, С. Н. Цхай, Физика плазмы 38(3), 221 (2012).
[5] А. Б. Антипенков, О. Н. Афонин, А. В. Бернацкий, В. Н. Очкин, Ядерная физика и инжиниринг 5(7-8), 644 (2014).
[6] V. N. Ochkin, Spectroscopy of Low Temperature Plasma (WILLEY-VCH, Weinheim, 2009).
[7] А. Б. Антипенков, О. Н. Афонин, А. В. Бернацкий, В. Н. Очкин, Физика плазмы 41(9), 767 (2015). http://doi:10.7868/S0367292115090036.
[8] Y. Itikawa, N. Mason, J. Phys. Chem. Ref. Data 34(1), 1 (2005).
[9] Biagi-v8.9 (Magboltz version 8.9) database, www.lxcat.net, retrieved on June 10, 2015. [10] R. R. Laher, F. R. Gilmore, J. Phys. Chem. Ref. Data 19(1), 277 (1990).
Поступила в редакцию 3 июля 2015 г.
