Apparato sperimentale utilizzato durante la glow discharge

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1 Apparato sperimentale utilizzato durante la glow discharge L'impianto da vuoto di FTU comprende 5 gruppi di pompaggio ognuno dei quali è costituito da una pompa turbomolecolare da 2200 l/s (N2) e da una pompa rotativa da 60 m 3 /h corrispondenti ad una velocità di pompaggio effettiva sulla camera pari a 1900 l/s (N2). Per limitare il flusso di gas pompato durante la glow, a causa dell elevata pressione di lavoro ( > 5.0e-3), solo due di questi gruppi di pompaggio sono attivi durante il processo e con gates di collegamento alla camera che possono essere opportunamente parzializzate. Le pressioni parziali dei gas sono monitorate utilizzando uno spettrometro di massa Balzers QMG 420 installato in un volume dedicato, dotato di pompaggio e collegato alla camera da vuoto di FTU tramite la gate di interfaccia con la macchina, piu una valvola manuale regolabile vicina al quadrupolo. Quest ultima consente di mantenere la pressione sul quadrupolo al di sotto del valore limite ammesso per lo strumento( 10-4 mbar). Durante la GD il fattore di strozzamento della valvola manuale viene scelto tra con una pressione di circa 5*10-3 mbar di idrogeno all'interno della camera. Questo implica che ogni variazione di pressione che si verifica nella camera viene ridotta di piu' di 2 ordini di grandezza per l'idrogeno e di un fattore (M/2) 1/2 più elevato per gli altri gas. Di conseguenza per apprezzare queste variazioni é richiesta una pressione di fondo nel quadrupolo < 1*10-8 mbar.

2 Poiché la sensibilità dello strumento varia in funzione delle masse dei gas analizzati e inoltre non e costante nel tempo, e richiesto per misure quantitative accurate, calibrare lo strumento con gas diversi (H2,CH4,N2,Ar ) stabilendo la corrispondenza tra il segnale di corrente della massa analizzata letta sul quadrupolo e la relativa pressione. La procedura di calibrazione si effettua utilizzando una valvola dosatrice per iniettare i gas e una testa a ionizzazione entrambe poste in prossimita del quadrupolo. Solitamente, per le nostre esigenze che richiedono un monitoraggio costante di eventuali perdite da vuoto in aria, la calibrazione viene effettuata iniettando aria nel quadrupolo dall esterno a pressioni crescenti ( N2 (28), O2 (32), Ar (40)). In condizioni operative della macchina, la presenza di questi gas nella camera, osservabili anche a temperatura criogenica perche non condensabili sulle pareti fredde, sono indicatori chiari di una perdita in atto. L H2O che si osserva sul quadrupolo a temperatura criogenica, non proviene quindi dalla camera di FTU, ma corrisponde al segnale di fondo del quadrupolo. Apparato della glow discharge Per produrre la GD si utilizzano due elettrodi che vengono inseriti per mezzo di due soffietti lamellari all'interno della camera da vuoto attraverso due ports verticali posti a 180 l'uno rispetto all'altro toroidalmente. Gli elettrodi, di forma cilindrica,sono costituiti di acciaio inossidabile nella parte che si affaccia al plasma e di rame lungo tutta la lunghezza del port rispetto al quale sono isolati elettricamente con una barra di allumina coassiale (Fig. 1). Gli elettrodi sono raffreddati con un flusso di azoto gassoso per ridurre il riscaldamento causato dal bombardamento elettronico ( caduta anodica 15 ev). E' stata stimata una temperatura

3 all'estremità dell'elettrodo di 400 C con un carico termico di 50W alla corrente di 3A /6/. Queste condizioni sono critiche sia per l'elevato degassamento dell'allumina che per un eventuale danneggiamento dei componenti non metallici montati sugli elettrodi. Gli elettrodi sono collegati mediante una resistenza limitatrice da 750 Ω ad un generatore di tensione composto da due alimentatori in serie rispettivamente da (800V,10A) e (400V,1A) dc e il cui polo negativo è costituito dalla camera da vuoto posta a massa ( Fig.2 ). Per ogni elettrodo è possibile regolare la corrente da (1.5 _ 5A) mediante una resistenza in serie variabile da 100 a 300 Ω cortocircuitando la resistenza da 750 Ω. L'uso di due alimentatori é necessario per disporre della massima tensione iniziale per innescare la scarica (1200V) e di una tensione più bassa (800V) per limitare la dissipazione di potenza sulle resistenze durante la scarica. Procedure operative La camera da vuoto e' riscaldata ad una temperatura massima di 120 C inducendo una corrente toroidale utilizzando come primario le bobine del campo verticale, mentre la temperatura dei ports e' regolata stabilmente fino a 150 C mediante nastri riscaldanti. La pressione a cui normalmente si lavora durante la GD é di (5-7)*10-3 mbar. In queste condizioni la scarica é diffusa all'interno della camera e la sua luminosità aumenta in funzione della corrente. Da prove di laboratorio /7/ si é dimostrato che non é consigliabile lavorare a pressioni inferiori a 5*10-3 mbar perché la tensione invece di mantenersi costante tende ad aumentare linearmente con la

4 corrente, con conseguente aumento dello sputtering fisico della parete. D'altro canto per pressioni maggiori di 4*10-2 mbar la scarica tende a localizzarsi più facilmente nei ports determinando un aumento di temperatura non desiderato nella regione interessata. Alla tensione di 1200V la scarica si è sempre innescata senza problemi non rendendo necessario un aumento temporaneo della pressione. La tensione tipica di scarica è di 350 V, a correnti di 3.25 A totali pari a 25mA/cm 2 sulla parete di FTU ( Area della camera esposta alla scarica 13 m 2 ). Questo valore é quello che normalmente viene utilizzato anche su altri tokamak. Misure quantitative dei gas durante la Glow Per determinare, per ogni gas i, l'aumento di pressione parziale nella camera ΔPi dai valori di corrente letti sul quadrupolo é necessario tener conto del fattore di sensibilità sperimentalmente misurato e usare la relazione: ΔPi= ΔIi. Si (Mi/2) 1/2 (Vpi/Vp,H2) TF Si = Sc (σi/σc) ( Fi/Fc) dove: - ΔIi é la variazione di corrente letta sul quadrupolo; - Sc é il fattore di sensibilità relativo al gas usato per la calibrazione di massa uguale o vicina a quella del gas i, nel qual caso viene

5 opportunamente corretto considerando le diverse sezioni d'urto di ionizzazione σi, σc e i diversi fattori di frammentazione Fi,Fc; (Mi/2) 1/2 ; (Vpi/Vp,H2) sono i fattori che tengono conto della diversa conduttanza e velocità di pompaggio del gas i rispetto all'idrogeno; - TF é il fattore di strozzamento della valvola per l'idrogeno. L'aumento di pressione ΔPi così determinato consente di valutare l'efficienza di pulizia della glow discharge, ovvero il numero di particelle che viene evacuato nell'unità di tempo, secondo la seguente formula: ν i = S pi * ( ΔP i /KT ) ( particelle/s) dove S pi é l'effettiva velocità di pompaggio per il gas i. I valori di Spi sono calcolati sfruttando la condizione di conservazione del flusso di particelle Q (mbar litri/s) =Spi *Pi all altezza della camera da vuoto e all imboccatura delle pompe turbomolecolari, a partire dalle velocità di pompaggio note per i diversi tipi di gas e dalle misure di pressione. Applicando la formula Mi = νi/ac in cui C rappresenta il numero di molecole che formano un monostrato ( mol/cm 2 ) ed A é l'area della camera, é possibile risalire al numero di monostrati rimossi durante la glow discharge. Se il deposito non e uniforme, e possibile in ogni caso valutare l efficacia della glow dalla quantita di particelle estratta dalle pompe su tutto l arco temporale di durata della glow. Risultati

6 Le valutazioni fatte in seguito sull efficienza della glow, si riferiscono alle misure e alle considerazioni gia mostrate in precedenza nella nota sulla Ottimizzazione della glow (O.Tudisco, M.L. Apicella). Da quasta nota e dalla relativa presentazione, e stato evidenziato che la glow discharge in D2 a camera calda e con campo magnetico toroidale applicato, e in grado di rimuovere, sotto forma di CO, sia carbonio che ossigeno dalla camera, piu efficacemente della glow in D2 + il baking e ancor di piu della glow in D2 a temperatura ambiente. Gli idrocarburi, che si sono evidenziati sul quadrupolo sotto forma di radicali del tipo CnDm, non solo all accensione della glow, ma anche solamente all immissione di deuterio nella camera, si e dimostrato essere un effetto locale sul quadrupolo stesso. In tabella 1 sono riassunti i risultati principali ottenuti durante le prove di glow effettuate il 14/05/08, mentre in figura 1 ( e da inserire la figura corrispondente che non ho fatto in tempo a mettere) e mostrata l evoluzione temporale del CO all altezza del quadrupolo a partire dalle condizioni con camera calda (circa 100 C) : 1) con solo D2 (dalle alle 13.00), 2) con glow innescata alle e mantenuta ad una corrente di 1.5A ( dalle alle 14.10), 3) poi aumentata a 2A ( fino alle con un interruzione dell acquisizione temporale in corrispondenza della linea continua senza punti) 4) e poi a 3 A con applicazione del campo magnetico toroidale a partire dalle 15.00, da cui hanno inizio le prove di ottimizzazione della glow in funzione della corrente di glow e del campo magnetico toroidale, come mostrate in precedenza da Onofrio e precisamente nella diapositiva dal titolo Glow con B T e diverse correnti ( da notare che il valore di I G iniziale non e 4A, ma 3A)

7 Tabella 1 Fase del I (CO) ΔP(CO) ΔP(CO) Particelle di Grammi di Grammi di condizionamento A mbar mbar CO rimosse in CO rimossi C rimossi in (T camera =100 C) (quad.) (quad.) (camera) 1 h in 1 h 1 h Con solo D 2 3.4x (riferimento) Con Glow a 1.5 A 1.2x x x x Con Glow a 3 A + B T 2.9x x x x a 920 G (400A) Le conclusioni le devo ancora mettere oltre a introdurre il tutto e ricontrollare visto che non ce l ho fatta!