Search

This paper briefly describes intrinsic and collaborative scientific activities in the Stellarator Department of the Institute of Plasma Physics of the National Science Center “Kharkov Institute of Physics and Technology” in last two years. These activities include experiments on JET tokamak, stellarators Wendelstein 7-X and Uragan-2M, TOMAS toroidal device and theoretical studies related to modeling of radio-frequency fields in plasma and conceptual development of the stellarator-mirror fission-fusion hybrid.

The developed models of ultra-pure hydrogen generators had been designed, produced and tested. The influence of membrane temperature and form, position in the flame, installation of additional screens etc. were investigated. The special device, so called hydrogen compremator (accumulator-compressor), was designed, produced and investigated. Its function is to accumulate low pressure pure hydrogen flow (pressure is less than 1 Torr) from generator and to convert it to high hydrogen pressure of about 15 atm in the compremator volume. The combined work of hydrogen generator and compremators was investigated. Hydrogen generator and compremator were tested in the regime of pure hydrogen puffing in plasma device DSM-1, providing the required parameters during experiment on the examine of metal erosion. The examines had shown capacity for work of both hydrogen generator and compremator in the conditions of real plasma physical experiments. Разработаны, изготовлены и испытаны усовершенствованные модели генераторов особо чистого водорода. Изучено влияние на производительность генераторов таких факторов, как температура и форма диффузионно-каталитических мембран, их положение в пламени, установка дополнительных экранов и др. Специальное устройство, так называемый компрематор (аккумулятор-компрессор водорода), был изготовлен и испытан. Его функцией является накопление водорода низкого давления (ниже 1 Торр), поступающего из генератора, и конвертация его в водород высокого давления (около 15 атм) в объёме компрематора. Исследована совместная работа генератора водорода и компрематора. Генератор и компрематор испытаны в режиме напуска чистого водорода в плазменную установку ДСМ-1, обеспечивая необходимые параметры во время экспериментов по изучению эрозии металлов. Испытания показали хорошую работоспособность генератора и компрематора в условиях реального физического эксперимента. Розроблено, виготовлено і випробувано вдосконалені моделі генераторів особливо чистого водню. Вивчено вплив на продуктивність генераторів таких чинників, як температура і форма дифузійно-каталітичних мембран, їх положення в полум'ї, установка додаткових екранів і ін. Спеціальний пристрій, так званий компрематор (акумулятор-компресор водню), був виготовлений і випробуваний. Його функцією є накопичення водню низького тиску (нижче 1 Торр), що поступає з генератора, і конвертація його у водень високого тиску (близько 15 атм) в об'ємі компрематора. Досліджена спільна робота генератора водню і компрематора. Генератор і компрематор випробувані в режимі напуску чистого водню в плазмову установку ДСМ-1, забезпечуючи необхідні параметри під час експериментів з вивчення ерозії металів. Випробування показали хорошу працездатність генератора і компрематора в умовах реального фізичного експерименту.

Using the thermal desorption method the investigations were carried out of stainless steel probe outgassing rate in a vacuum and estimation of the number of monolayers on its surface in the Uragan-2M torsatron in situ. The decrease of surface impurity by more than one order of magnitude was measured at the vacuum improvement from 1.6·10⁻⁶ Torr up to 6.5·10⁻⁷ Torr after pumping and RF discharge cleaning. Mass-spectrometric measurements has shown H₂O (18 m/e), Co₂ (44 m/e) and 28 m/e (CO+N₂), as the main gases desorbed from probe surface during its heating. Heavy hydrocarbon masses (58 m/e) were also registered. Some practical conclusions were made for the U-2M wall conditioning procedure improvement. Термодесорбционным методом проведены исследования газовыделения нержавеющей стали и оценка числа монослоев примесей на ее поверхности в торсатроне Ураган-2М. После откачки и чистки ВЧ-разрядами количество примесей снизилось более чем на порядок при улучшении вакуума с 1.6·10⁻⁶ до 6.5·10⁻⁷ Торр. Масс- спектрометрические измерения показали, что основными примесями, десорбирующимися с поверхности зонда из нержавеющей стали во время его нагрева до температуры 250…300 ºС, являются: H₂O (18 m/e), Co₂ (44 m/e) и 28 а.е.м. (CO+N₂). Тяжелые углеводороды (58 а.е.м.) также регистрируются. Сделаны некоторые практические заключения для улучшения процедуры чистки стенок камеры торсатрона Ураган-2М. Термодесорбційним методом проведено дослідження газовиділення нержавіючої сталі і оцінка числа моношарів домішок на її поверхні в торсатроні Ураган-2М. Після відкачування і чищення ВЧ-розрядами кількість домішок знизилася більш ніж на порядок при поліпшенні вакууму з 1.6·10⁻⁶ до 6,4·10⁻⁷ Торр. Мас- спектрометричні вимірювання показали, що основними домішками, що десорбуються з поверхні зонда з нержавіючої сталі під час його нагріву до температури 250…300 ºС, є: H₂O (18 а.е.м.), Co₂ (44 а.е.м.) i 28 а.е.м. (CO+N₂). Важкі вуглеводні (58 а.е.м.) також реєструються. Зроблені деякі практичні висновки для поліпшення процедури чищення стінок камери торсатрона Ураган-2М.

Studies were made into erosion of titanium nitride coatings deposited onto stainless steel substrates in two different ways of vacuum-arc technology: with and without feeding high-voltage negative pulses on the substrate. A possible physical mechanism is offered and discussed to explain the different character of erosion behavior. Досліджено ерозію покриттів з нітриду титану, осаджених на підкладки з неіржавіючої сталі двома різними методами вакуумно-дугової технології: з подачею і без подачі високовольтних імпульсів негативної полярності на підкладку. Пропонується і обговорюється фізичний механізм для пояснення різного характеру ерозійної поведінки. Исследована эрозия покрытий из нитрида титана, осажденных на подложки из нержавеющей стали двумя различными методами вакуумно-дуговой технологии: с подачей и без подачи высоковольтных импульсов отрицательной полярности на подложку. Предлагается и обсуждается физический механизм для объяснения различного характера эрозионного поведения.

Working model of plasma facing W-limiter with controlled hydrogen recycling has been created. The limiter was installed in the Uragan-3M torsatron and was tested under the edge plasma conditions. Створена робоча модель зверненого у плазму W-лімітеру з контрольованим реціклінгом водню. Лімітер встановлено у торсатрон Ураган-3М і випробувано в умовах крайової плазми. Создана рабочая модель обращенного в плазму W-лимитера с контролируемым рециклингом водорода. Лимитер установлен в торсатрон Ураган-3М и испытан в условиях краевой плазмы.

A variant of the B4C movable biased pumped limiter for the Uragan-2M torsatron is described. Some results of experiments with the limiter moved from the vacuum chamber wall to the central region of the plasma column in the work mode of Uragan-2M operation are reported. The effect of limiter-plasma interaction on parameters of the RF plasma discharges is discussed.

Hydrogen outgassing from stainless steel was investigated after sample treatment by different plasmas: VHF/RF pulse discharges during wall conditioning in the Uragan-2M torsatron, with RF pulse plasma heating regime in Uragan-2M, with steady state plasma of magnetron type discharges in DSM-1 device, with pulse plasma in the plasma accelerator QSPA Kh-50. For comparison the rate of hydrogen release from SS samples was measured after their saturation in molecular hydrogen gas at the low pressure of ~10⁻² Torr at the room temperature. The measurements of hydrogen release rate were carried out with thermal desorption method and mass-spectrometry. It was observed the significant differences in hydrogen outgassing behavior for samples treated with different hydrogen plasma. The possible reasons of distinctions in kinetics of hydrogen interaction with stainless steel are discussed. Газовиділення водню із зразків нержавіючої сталі проводилося після обробки різною плазмою: імпульсних розрядів УКХ/ВЧ під час чистки стінки в торсатроні Ураган-2М, у режимі нагріву плазми з ВЧімпульсом в Урагані-2М, у стаціонарній плазмі розрядів магнетронного типу в пристрої ДСМ-1 з імпульсною плазмою, у плазмовому прискорювачі КСПП Х-50. Крім того, для порівняння використовувалося насичення в молекулярному газоподібному водні при низькому тиску (~10⁻²Торр) та кімнатній температурі. Вимірювання швидкості виділення водню проводилися методом термічної десорбції за участю мас-спектрометрії. Спостерігалися істотні відмінності в характері виділення водню для зразків, оброблених різною водневою плазмою. Обговорюються можливі причини відмінностей в кінетиці взаємодії водню з нержавіючою сталлю. Газовыделение водорода из образцов нержавеющей стали проводилось после обработки различной плазмой: импульсных разрядов УКВ/ВЧ во время чистки стенки в торсатроне Ураган-2М, в режиме нагрева плазмы с ВЧ-импульсом в Урагане-2М, в стационарной плазме разрядов магнетронного типа в устройстве ДСМ-1 с импульсной плазмой, в плазменном ускорителе КСПУ Х-50. Кроме того, для сравнения использовалось насыщение в молекулярном газообразном водороде при низком давлении (~10⁻² Торр) и комнатной температуре. Измерения скорости выделения водорода проводились методом термической десорбции с участием масс-спектрометрии. Наблюдались существенные различия в характере выделения водорода для образцов, обработанных различной водородной плазмой. Обсуждаются возможные причины различий в кинетике взаимодействия водорода с нержавеющей сталью.

Investigations had been carried out of the influence of Ta alloying (2…16 wt.%) in W-coatings on their erosion behavior in steady state plasmas of Penning discharges in different gases: argon, nitrogen, and hydrogen. The coatings were deposited on stainless steel substrates by argon ion sputtering of targets made from appropriate metals. For comparison the erosion behavior had been examined of pure W and Ta coatings obtained by the same method. It was shown the essential decrease of an erosion rate after Ta addition in W coatings. The possible physical mechanism is suggested to explain such erosion behavior. Исследуется влияние легирующей добавки Ta (2…16 вес.%) в W-пленке, на эрозионное поведение в плазме разряда Пеннинга различных газов (аргона, азота и водорода). Покрытия наносились путём распыления ионами аргона мишеней из соответствующих металлов на подложку из нержавеющей стали. Для сравнения исследовано эрозионное поведение в различных газах однокомпонентных W- и Ta-пленок, полученных тем же методом. Обнаружено существенное уменьшение скорости эрозии после добавления Ta в W-покрытия. Предлагается физический механизм для объяснения такого поведения эрозии. Досліджується вплив легуючої добавки Ta (2…16 ваг.%) в W-плівці на ерозійну поведінку в плазмі розряду Пеннінга різних газів (аргону, азоту і воденю). Покриття наносилися шляхом розпилювання іонами аргону мішеней з відповідних металів на підкладку з нержавіючої сталі. Для порівняння досліджена ерозійна поведінка в різних газах однокомпонентних W- і Ta-покриттів, отриманих тим же методом. Виявлено істотне зменшення швидкості ерозії після додавання Ta в W-покриття. Пропонується фізичний механізм для пояснення такої поведінки ерозії.