ИСТИНА

Фианит, стабилизированный диоксид циркония (СДЦ), широко используется при изготовлении различных оптических приборов, имеет коэффициент пропускания около 75% в диапазоне длин волн 400–5000 нм и рассматривается как один из возможных материалов «первого» (обращенного к плазме) окна, защищающего зеркало системы сбора диагностики томсоновского рассеяния лазерного излучения в диверторе (ДТР) от осаждения продуктов эрозии контактирующих с плазмой материалов в международном термоядерном экспериментальном реакторе (ИТЭР) [1, 2]. Ранее, для удаления пылевых и пленочных осаждений с поверхности оптических элементов систем диагностики ИТЭР предлагали использовать специально организованные чистящие разряды [3]. Целью нашей работы было исследование стойкости СДЦ в условиях чистящего разряда, в котором, при периодических чистках, будет распыляться не только загрязняющая окно пленка, но и сам материал защитного окна. Образцы СДЦ были поставлены Физико-техническим институтом им. А.Ф. Иоффе РАН и представляли собой плоскопараллельные полированные пластины размером 10х10х1 мм3. Дифракция рентгеновских лучей на отражение показала, что образцы имели кубическую структуру. Элементный состав, по данным рентгеноспектрального микроанализа, был определен в атомных долях как O0,6604Zr0,2585Y0,0811, что близко к стехиометрическим отношениям в ZrO2 и Y2O3 при отношении Y/Zr = 18 мол. %. Эксперименты по влиянию чистящего разряда на СДЦ проводили в скрещенных разрядах постоянного тока 30 мА в кварцевой трубке диаметра 1,9 см и асимметричном высокочастотном (ВЧ) разряде частотой 13,56 МГц и мощностью 50 Вт в D2 и He при давлении 15 Па. ВЧ разряд создавал смещение над поверхностью образцов –300 В, то есть, энергия ионов не превышала 300 эВ. Плотность ионного тока при ВЧ смещении непосредственно не измеряли. Эту величину определили в дополнительных экспериментах по распылению Al, которая оказалась равной 18,6 А/м2 или 11,6×1019 ион/м2с. При такой плотности тока начальная скорость распыления СДЦ в D2 и He составляла около 40 нм/час, однако через 1,5 часа уменьшалась до 28 и 1,3 нм/час в He и D2 соответственно. Образцы приобретали желтовато-коричневый оттенок. На оптических спектрах наблюдалось уменьшение пропускания в диапазоне 400-600 нм, причем, для облученных в D2 плазме образцов, потемнение было более значительным. Отжиг образцов в воздухе в течение 0,5 часа при 250 оС восстанавливал оптический спектр пропускания до исходного. Экспозиция образцов в плазме положительного столба тлеющего разряда постоянного тока в D2, при величине плавающего потенциала 17 эВ и плотности ионного тока 1,2 А/м2, в течение одного часа также приводила к появлению окраски. Температура стенки не превышала 70 оС. При повышении температуры до 250–300 оС на поверхности образцов появлялись желто-коричневые участки, тогда как спектр светлых участков не отличался от исходного. Последующий отжиг тех и других образцов в воздухе в течение 0,5 часа при 250 оС восстанавливал пропускание до исходного. Нагрев образцов СДЦ в положительном столе разряда в D2 при температурах 600 и 1000 оС также вызывал появление окраски, однако она не исчезала при последующем отжиге в воздухе при 250 оС. Увеличение пропускания при отжиге в воздухе наблюдалось лишь при температурах 800–1000 оС. Следует обратить внимание, что во всех случаях экспозиции в D2 плазме в течение одного часа и более, в положительном столбе при плавающем потенциале без нагрева и с нагревом, а также при ВЧ смещении –300 В, спектры пропускания образцов совпадали; на длине волны 500 нм пропускание снижалось с 75 до 70%. Исключение составляли температуры 250–300 оС, при которых на поверхности наблюдалась неоднородная окраска. По изложенным результатам можно заключить, что использование чистящего разряда не влияет на коэффициент пропускания света при длинах волн в окрестности 1000 нм, то есть, СДЦ может быть материалом окна для ближнего инфракрасного излучения. На длине волны 500 нм пропускание уменьшается на 5% при времени экспозиции от 1 до 8 часов воздействия чистящего разряда. Этот спектр может быть стабилизирован отжигом СДЦ в D2 плазме при температурах выше 600 оС. Вместе с тем, за рамками данной работы остались такие существенные факторы как радиационные повреждения материала и многократное осаждение и распыление бериллия, которые совместно с влиянием чистящего разряда могут радикально изменить окончательные результаты и выводы о пригодности СДЦ в качестве защитного окна. Список литературы 1. Mukhin E.E. et al. Integration of Thomson scattering and laser-induced fluorescence in ITER divertor // Nucl. Fusion 2019.V 59. 086052 2. Razdobarin A.G. et al. “Dielectric windows as front-end diagnostic elements in ITER” Synopsis of 27th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2018), CN-258, 22–27 October 2018, Gandhinagar, India. 3. Moser L. et al. Plasma cleaning of ITER first mirrors // Physica Scripta. 2017. V. 2017. No T170. P. 1-7.